RECUBRIMIENTOS POR SOL-GEL SOBRE SUSTRATOS DE ACERO INOXIDABLE, REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE

SOL-GEL COATINGS DEPOSITED ON STAINLESS STEELS ALLOYS REVIEW

EMIGDIO MENDOZA Maestría en Física. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. ejmendoz@unalmed.edu.co

CLAUDIA GARCÍA Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Escuela de Física. cpgarcia@unalmed.edu.co

Recibido para revisar agosto 14 de 2006, aceptado febrero 09 de 2007, versión final mayo 04 de 2007

RESUMEN: En este trabajo se presenta una recopilación bibliográfica de los recubrimientos inorgánicos, híbridos, con partículas dispersas, depositados sobre aleaciones de acero inoxidable por medio de la técnica sol-gel. A partir de estos recubrimientos es posible la modificación de las propiedades superficiales de estas aleaciones metálicas, en busca de mejorar su resistencia química, además del grado de biocompatibilidad cuando están expuestas a ambientes fisiológicos.

PALABRAS CLAVE : Sol-Gel, Recubrimientos, Acero Inoxidable

ABSTRACT : This is a review paper of the inorganic, hybrid, and containing dispersed particles coatings, deposited on stainless steel alloys by means of the sol-gel technical. Starting from these coatings it is possible the modification of the surface properties of these metallic alloys, searching to improve their chemical resistance and the biocompatibility, when they are exposed to physiologic fluids.

KEYWORDS : Sol-Gel, Coatings, stainless steel

1. INTRODUCCIÓN

Los aceros inoxidables austeníticos son ampliamente usados en la industria química y biomédica, especialmente en aplicaciones que involucran atmósferas corrosivas. El efecto corrosivo produce una fuerte degradación de estos materiales. La corrosión ocurre cuando se dan reacciones químicas entre la superficie del metal y el medio, promovidas por especies tales como Cl -, O 2, y H 2O, en adición al transporte de electrones [1, 2]. La resistencia a la corrosión es una propiedad necesaria en muchas aplicaciones. Algunos investigadores han estudiado el comportamiento de aceros en soluciones acuosas ácidas o básicas, buscando proteger estas aleaciones con distintos

tipos de recubrimientos que provean una barrera entre la superficie del metal y el ambiente corrosivo [3-9]. En las últimas décadas, se ha incrementado el uso de capas protectoras. Tradicionalmente, se usan recubrimientos cerámicos para aumentar la vida de servicio de los aceros expuestos a condiciones de oxidación. Se ha encontrado que algunos recubrimientos cerámicos tales como SiO 2, ZrO 2, SiO 2-Al 2O3, SiO 2-TiO 2, ZrO 2-PMMA, ZrO 2-Y2O3, ZrO 2- CeO 2 mejoran la resistencia a la corrosión de aceros inoxidables [2, 10-20]. Debido a la necesidad de materiales compatibles con los sistemas vivos, los derivados cerámicos de apatita se convirtieron en un atractivo campo de investigación, dada la similitud de esta fase mineral con la encontrada en los tejidos óseos.

Mendoza y García

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La fabricación de vidrios bioactivos ricos en calcio y fósforo, con una reactividad superficial determinada, permite formar sobre la superficie del material inorgánico una fase de apatita, por medio de reacciones de intercambio iónico en ambientes fisiológicos [19, 21-30]. De esta forma, prótesis metálicas recubiertas con vidrios y/o cerámicos bioactivos se constituyen en una alternativa para combinar resistencia mecánica y bioactividad, mediante el uso de diferentes técnicas para depositar el recubrimiento, tales como esmaltado [31], spray térmico [32], e hilado [33]. Sin embargo, estas técnicas presentan algunos problemas como la baja adherencia del recubrimiento, reducción en la fuerza interfacial debido al lixiviado del vidrio, y contaminación del recubrimiento por iones que se difunden desde el sustrato, lo cual es un punto crítico dado que la presencia de ciertos iones metálicos como el Fe 3+ inhiben la bioactividad de estos materiales [34].

Debido a que las técnicas convencionalmente utilizadas para depositar materiales cerámicos requieren de altas temperaturas, éstas pueden generar transformaciones de fase o precipitación de carburos sobre los sustratos metálicos, lo cual las hace, en algunos casos, inaplicables sobre aceros inoxidables. Esto convierte a la técnica de sol-gel en una alternativa importante en la protección contra la corrosión de estos aceros, dado las bajas temperaturas involucradas en la deposición y sinterización de estos recubrimientos. En este trabajo se compilan los resultados de los trabajos que perfilan la técnica sol-gel, como una herramienta que ha logrado mejorar el comportamiento de los aceros inoxidables mediante la deposición de recubrimientos cerámicos y vítreos. En los últimos años, el interés por los recubrimientos depositados por sol-gel ha estado enfocado hacia híbridos orgánicos–inorgánicos con mayores espesores que los inorgánicos y diferentes propiedades determinadas por la composición y las condiciones del proceso. Los sistemas híbridos son obtenidos por la incorporación estructural de grupos orgánicos. La utilización de alcóxidos de silicio, tales como el metiltrietoxisilano (MTES) o tetraetilortosilicato (TEOS) en la solución precursora, es una manera simple de incorporar

grupos orgánicos en los recubrimientos se SiO 2 [35]. Además también se esta trabajando actualmente recubrimientos por sol-gel con partículas dispersas que modifican las características mecánicas y la reactividad de los recubrimientos protectores [20].

2. PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SOL-GEL

Materiales inorgánicos no-metálicos como los vidrios y los cerámicos en general, son producidos a altas temperaturas. Una alternativa para obtener estos materiales es por medio de la técnica sol-gel [36], la cual consiste en la hidrólisis y condensación, originada a partir de precursores alcóxidos (compuesto órgano- metálico) para formar una red polimérica en estado vítreo que típicamente exhibe una estructura macro o mono porosa. Los materiales producidos por sol-gel son una alternativa para la aplicación de recubrimientos protectores, lo cual es posible por la alta adherencia de estos recubrimientos. Estas películas químicamente inertes pueden ser aplicadas sobre sustratos metálicos a temperatura ambiente o cercanas a ésta [1]. Para obtener materiales inorgánicos densos es necesario aplicar al recubrimiento un tratamiento térmico, que en el caso de los vidrios se realiza a temperaturas del orden de la temperatura de transición vítrea (Tg) [36]. Dado que los precursores utilizados son compuestos híbridos con una parte orgánica y otra inorgánica, el componente orgánico pueden actuar como formador de red; por esta razón estos componentes deben ser polimerizables. Este proceso se realiza por medio de una reacción de polimerización, adición, o policondensación. Por lo tanto, es posible la

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