專利名稱：離子液體中鋼表面電滲鈮的方法
技術領域：
本發明涉及離子液體中鋼表面電滲鈮的方法。通過離子液體，采用直流電沉積的 方式在鋼表面沉積適量金屬鈮，以改善鋼的耐蝕性，擴展其應用范圍。
背景技術：
重過渡元素鈮(Nb)，既是一種強鐵素體形成元素，又是強碳、氮化物形成元素，它 與其它元素的配伍應用對于開發性能各異的鋼種而言必不可少，尤其是在高溫領域的耐熱 不銹鋼中，鈮甚至可部分的代替價格昂貴的鉬，因而含鈮鋼的應用愈來愈廣泛。由于不能通 過水溶液電滲的方法得到純鈮的鍍層，通常含鈮鋼的生產多通過冶金方法，再利用一系列 的后處理控制鈮在鋼中的存在形態而得到不同應用性能的鋼種。冶金生產過程工藝相對比 較復雜并需要大型的生產設備，應用過程具有一定的局限性。離子液體是指完全由正負離子組成的室溫下為液體的鹽，正離子通常為體積相 對較大、不對稱的有機陽離子，陰離子是體積相對較小的無機陰離子。離子液體由于具 熔點低、揮發性低、種類繁多等諸多優點而成為一種新型、環境友好的綠色介質，已在生 命科學領域、太陽能電池、電致發光材料、金屬電沉積等領域得到廣泛應用，如楊培霞等 (CN1884622A)公開了一種離子液體中電沉積Co的方法。由于金屬鈮是一種惰性金屬，不能 在水溶液中沉積，而含鈮的鋼種多通過復雜的冶金工業得到，在此背景下，本發明采用直流 電沉積的方式在離子液體中向基體鋼的表面電滲鈮，通過控制工藝參數得到不同鈮含量的 鋼，從而改善鋼的性能，擴大其應用范圍。
發明內容
本發明的目的是提供一種離子液體中鋼基表面電滲鈮的方法，從而解決水溶液中 鈮不能沉積，而冶金方法的工藝過程相對復雜的問題。本發明采用如下技術方案離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，包括以下步驟(1)向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，鋁粉和NbCl5的摩爾比為3 1 1 3，將NbCl5 還原為Nb3Cl8，并得到氧化產物A1C13 ；(2)將步驟(1)所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽離子液體 中，控制鋁粉、恥(15和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽三者的比例在3 1 1 1:3: 10;添加濃度為 3%質量分數的NaCl溶液，配置成離子液體電滲液；(3)將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體中，鋼基體為陰極，純鈮板或純鋁板 為陽極，采用直流恒電壓的方式進行電沉積；電壓范圍為12V 30V，陰陽極間距為1cm 3cm，沉積時間lOmin 12h，離子液體的溫度控制在70°C 160°C ；(4)沉積完畢后取出基體，用去離子水沖洗，得到淺黑色或灰藍色的滲鈮鋼。所述步驟(1)中鋁粉和NbCl5的摩爾比為3 1、3 2、1 3、2 1或2. 4 1 ； 還原過程中使用的試劑均為分析純試劑。
所述步驟(3)基體預處理的方法是將基體進行機械打磨，打磨后用去離子水沖 洗，再用乙醇脫脂，最后冷風吹干。所述步驟(3)中采用直流恒電壓的方式進行電沉積時可以一步完成，此時所述沉 積時的電壓范圍為12V 25V，沉積時間lOmin 12h。所述步驟(3)中采用直流恒電壓的方式進行電沉積分為兩步進行即先在一個直 流恒電壓下進行電沉積，沉積一段時間后升高或者降低電壓，當電壓達到恒定時再進行沉 積；所述沉積時的電壓范圍為12V 25V，陰陽極間距為1cm 3cm，沉積時間lOmin 12h， 離子液體的溫度控制在70°C 160°C。本發明相比于現有技術，具有突出的技術效果(1)本發明以離子液體電沉積鈮的方法解決了水溶液中無法得到鈮鍍層的問題；(2)按照本發明的實施條件，滲鈮鋼中鈮的含量可由工藝條件控制。(3)本發明沉積過程中使用的沉積液是綠色環保的離子液體，不會造成環境污染。(4)本發明的實施不需要大型的生產設備，工藝過程簡單、易操作。
具體實施例方式取厚1mm的鋼板，機加工成10mmX30mm的矩形片。實施例1(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 3. 6 1. 2 1. 3，同時 向溶液中添加質量分數為2. 7%的NaCl。(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，鋁片為陽極， 陰陽極間距為1cm，控制電滲液溫度為100°C，在28. 3V電壓下恒壓沉積12h，沉積完畢后取 出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為0. 30%的不銹鋼。實施例2(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 2. 4 1. 2 1. 3，同時 向溶液中添加質量分數為1 %的NaCl。(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，鋁片為陽極， 陰陽極間距為3cm，控制電滲液溫度為100°C，在17. 0V電壓下恒壓沉積15min，再升壓至 28. 7V沉積45min，沉積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為0. 88%的不銹鋼。實施例3(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 2. 4 1 1.3，同時向 溶液中添加質量分數為3%的NaCl。
(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，鋁片為陽極， 陰陽極間距為2cm，控制電滲液溫度為70°C，在28. 7V電壓下恒壓沉積30min，再降壓至 19. 6V沉積10h，沉積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為1. 29%的不銹鋼。實施例4(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 3 2 4，同時向溶液 中添加質量分數為2. 7%的NaCl。(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，鋁片為陽極， 陰陽極間距為1cm 3cm，控制電滲液溫度為130°C，在28. 7V電壓下恒壓沉積20min，再降 壓至18. 0V沉積13min，沉積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為3. 55%的不 銹鋼。實施例5(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 1 3 10，同時向溶 液中添加質量分數為2%的NaCl。(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，純鈮片為陽 極，陰陽極間距為2cm，控制電滲液溫度為155°C，在15. 9V電壓下恒壓沉積12min，再升壓至 21. 8V沉積1小時20分鐘，沉積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為8. 28% 的不銹鋼。實施例6(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 3 1 4，同時向溶液 中添加質量分數為2. 7%的NaCl。(2)基體表面電滲鈮將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，純鈮片為陽 極，陰陽極間距為1cm 3cm，控制電滲液溫度為70°C，在28. 7V電壓下恒壓沉積20min，沉 積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為0. 35%的不銹鋼。實施例7(1)配置離子液體電滲液向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 鹽離子液體中，控制電滲液組分的比例為A1 NbCl5 emimOTf = 2 3 10，同時向溶 液中添加質量分數為1. 5%的NaCl。(2)基體表面電滲鈮
將經過預處理的鋼基體放入上述離子液體電滲液中，不銹鋼為陰極，純鈮片為陽 極，陰陽極間距為2cm，控制電滲液溫度為155°C，在28. 9V電壓下恒壓沉積15min，再降壓至 21. 8V沉積1小時20分鐘，沉積完畢后取出不銹鋼，用去離子水沖洗，得到含Nb為0. 52% 的不銹鋼。
權利要求
離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，包括以下步驟(1)向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，鋁粉和NbCl5的摩爾比為3∶1～1∶3；(2)將步驟(1)所得溶液加入到1 乙基 3 甲基咪唑三氟甲磺酸鹽離子液體中，控制鋁粉、NbCl5和1 乙基 3 甲基咪唑三氟甲磺酸鹽三者的比例在3∶1∶1～1∶3∶10；添加濃度為1％～3％質量分數的NaCl溶液，配置成離子液體電滲液；(3)將經過預處理的鋼基體放入步驟(2)離子液體電滲液中，鋼基體為陰極，純鈮板或純鋁板為陽極，采用直流恒電壓的方式進行電沉積；電壓范圍為12V～30V，陰陽極間距為1cm～3cm，沉積時間10min～12h，離子液體電滲液的溫度控制在70℃～160℃；(4)沉積完畢后取出基體，用去離子水沖洗，得到淺黑色或灰藍色的滲鈮鋼。
2.根據照權利要求1所述的離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，其特征在于步驟(1)中 鋁粉和NbCl5的摩爾比為3 1、3 2、1 3、2 1或2.4 1 ；還原過程中使用的試劑均 為分析純試劑。
3.根據利要求1所述的離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，其特征在于步驟(3)基體預 處理的方法是打磨后用乙醇脫脂并吹干。
4.根據權利要求1 3所述的離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，其特征在于步驟(3) 中采用直流恒電壓方式進行電沉積分兩步進行分別在兩個不同的直流恒電壓下沉積；所 述沉積的電壓范圍為12V 30V，沉積時間lOmin 12h，離子液體的溫度控制在70°C 160 °C。
全文摘要
離子液體中鋼表面電滲鈮的方法，向乙醚中加入鋁粉和NbCl5，鋁粉和NBCl5的摩爾比為3∶1～1∶3；將所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽離子液體中；添加濃度為1％～3％質量分數的NaCl溶液，配置成離子液體電滲液；將經過預處理的鋼基體放入離子液體電滲液中，鋼基體為陰極，純鈮板或純鋁板為陽極，采用直流恒電壓的方式進行電沉積；電壓范圍12V～30V，陰陽極間距1cm～3cm，沉積時間10min～12h，離子液體電滲液的溫度70℃～160℃；沉積完畢后取出基體，用去離子水沖洗，得到淺黑色或灰藍色的滲鈮鋼。本發明解決了水溶液中無法得到鈮鍍層的問題，并且綠色環保，工藝過程簡單、易操作。
文檔編號C25D3/54GK101949044SQ20101029139
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月20日 優先權日2010年9月20日
發明者曹彩紅, 梁成浩, 黃乃寶 申請人:大連海事大學