Analysis of the corrosion behavior of different nickel-chromium and cobalt-chromium alloys in contact with physiological fluids

Abstract

The study of the corrosion resistance of a material is essential to ensure its appropriate behavior against external aggressions. The in-depth analysis of this property is of great importance in disciplines such as architecture, engineering, medicine, etc. Additionally, the results obtained also affect the business organization and its strategic decisions, since they can condition the continuity of the material’s commercialization. It is, therefore, a research with direct links to different fields and areas of knowledge that, although may seem different at first, they are strongly connected around the analysis of the materials properties. The application of these materials within living tissue requires them to be biocompatible with the human body. Of the different categories of metallic biomaterials, cobalt-based and nickel-based alloys are very common due to their malleability, wear resistance, and low cost, resulting in various applications in the field of biomedical engineering companies. The corrosion resistance of an alloy is the most important characteristic for its biological safety, since during the corrosion process different elements are released, causing problems of rejection, inflammation or allergies. The main objective of this thesis is to study the corrosion behavior of different metal alloys that include nickel-chromium (NiCr) and cobalt-chromium (CoCr) in their composition in contact with physiological fluids through different corrosion study techniques that allow their analysis, as well as their comparison for various purposes. The alloys studied in this research are found in world markets. However, not all alloys have the same biocompatibility in contact with physiological fluids. The results of these investigations provide new experimental data and information on NiCr and CoCr alloys used worldwide in contact with simulated body fluids. Based on corrosion resistance, the alloys were divided into two groups. A first group that includes CoCr alloys (Co1-Co2), and NiCr alloys (Ni1-Ni2-Ni3), where the resistance to polarization showed higher values. In this group, the most stable alloy was Co2, with a polarization resistance in the order of 106 Ωcm2, characteristic of alloys highly resistant to corrosion. The second group includes the other NiCr alloys investigated (Ni4-Ni5-Ni6), where the passive layers were destroyed after polarization and the Rp values were significantly lower than those exhibited by the first group. In this second group, specimen Ni5 had the highest stability and specimen Ni6 the lowest, based on polarization resistance values.

El estudio de la resistencia a la corrosión de un material es fundamental para su buen comportamiento frente a ataques externos. Un análisis en profundidad de esta propiedad es de gran importancia en disciplinas como la arquitectura, ingeniería, medicina, etc. Asimismo, los resultados obtenidos afectan a la organización de las empresas y a sus decisiones estratégicas, ya que puede condicionar la continuidad de su comercialización. Se trata, por tanto, de una investigación con vinculación directa a distintos campos y áreas de conocimiento que, aunque a priori parecen diferentes, están fuertemente conectados alrededor del análisis de las propiedades de los materiales. La aplicación de estos materiales dentro de un tejido vivo requiere que sean biocompatibles con el organismo humano. De las diferentes categorías de biomateriales metálicos, las aleaciones a base de cobalto y de níquel son muy comunes por su maleabilidad, resistencia al desgaste y su bajo coste, por lo que sus aplicaciones son diversas en el campo de las empresas de ingeniería biomédica. La resistencia a la corrosión de una aleación es la característica más importante para su seguridad biológica, debido a que durante el proceso de corrosión se liberan elementos, ocasionando problemas de rechazos, inflamaciones o alergias. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el comportamiento de la corrosión de diferentes aleaciones metálicas que incluyen níquel-cromo (NiCr) y cobalto-cromo (CoCr) en su composición en contacto con fluidos fisiológicos a través de distintas técnicas de estudio de corrosión que permiten su análisis, así como su comparación con fines diversos. Las aleaciones estudiadas en esta investigación, se encuentran comercializadas en la actualidad. Sin embargo, no todas las aleaciones tienen la misma biocompatibilidad en contacto con fluidos fisiológicos. Los resultados de estas investigaciones aportan nuevos datos experimentales e información sobre aleaciones de NiCr y CoCr mundialmente utilizadas en contacto con los fluidos corporales simulados. En función de la resistencia a la corrosión, las aleaciones se dividieron en dos grupos. Un primer grupo que incluye aleaciones de CoCr (Co1-Co2), y aleaciones de NiCr (Ni1-Ni2-Ni3), donde la resistencia a la polarización mostró valores más altos. En este grupo la aleación más estable fue la Co2, con una resistencia a la polarización del orden de 106 Ωcm2, característica de aleaciones altamente resistentes a la corrosión. El segundo grupo incluye las otras aleaciones de NiCr investigadas (Ni4-Ni5-Ni6), donde las capas pasivas fueron destruidas después de la polarización y los valores Rp fueron significativamente inferiores a los exhibidos por el primer grupo. En este segundo grupo, el espécimen Ni5 tuvo la mayor estabilidad y el espécimen Ni6 la más baja, según los valores de resistencia a la polarización obtenidos.