专利名称：离子液体中钢表面电渗铌的方法
技术领域：
本发明涉及离子液体中钢表面电渗铌的方法。通过离子液体，采用直流电沉积的 方式在钢表面沉积适量金属铌，以改善钢的耐蚀性，扩展其应用范围。
背景技术：
重过渡元素铌(Nb)，既是一种强铁素体形成元素，又是强碳、氮化物形成元素，它 与其它元素的配伍应用对于开发性能各异的钢种而言必不可少，尤其是在高温领域的耐热 不锈钢中，铌甚至可部分的代替价格昂贵的钼，因而含铌钢的应用愈来愈广泛。由于不能通 过水溶液电渗的方法得到纯铌的镀层，通常含铌钢的生产多通过冶金方法，再利用一系列 的后处理控制铌在钢中的存在形态而得到不同应用性能的钢种。冶金生产过程工艺相对比 较复杂并需要大型的生产设备，应用过程具有一定的局限性。离子液体是指完全由正负离子组成的室温下为液体的盐，正离子通常为体积相 对较大、不对称的有机阳离子，阴离子是体积相对较小的无机阴离子。离子液体由于具 熔点低、挥发性低、种类繁多等诸多优点而成为一种新型、环境友好的绿色介质，已在生 命科学领域、太阳能电池、电致发光材料、金属电沉积等领域得到广泛应用，如杨培霞等 (CN1884622A)公开了一种离子液体中电沉积Co的方法。由于金属铌是一种惰性金属，不能 在水溶液中沉积，而含铌的钢种多通过复杂的冶金工业得到，在此背景下，本发明采用直流 电沉积的方式在离子液体中向基体钢的表面电渗铌，通过控制工艺参数得到不同铌含量的 钢，从而改善钢的性能，扩大其应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子液体中钢基表面电渗铌的方法，从而解决水溶液中 铌不能沉积，而冶金方法的工艺过程相对复杂的问题。本发明采用如下技术方案离子液体中钢表面电渗铌的方法，包括以下步骤(1)向乙醚中加入铝粉和NbCl5，铝粉和NbCl5的摩尔比为3 1 1 3，将NbCl5 还原为Nb3Cl8，并得到氧化产物A1C13 ；(2)将步骤(1)所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体 中，控制铝粉、恥(15和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐三者的比例在3 1 1 1:3: 10;添加浓度为 3%质量分数的NaCl溶液，配置成离子液体电渗液；(3)将经过预处理的钢基体放入上述离子液体中，钢基体为阴极，纯铌板或纯铝板 为阳极，采用直流恒电压的方式进行电沉积；电压范围为12V 30V，阴阳极间距为1cm 3cm，沉积时间lOmin 12h，离子液体的温度控制在70°C 160°C ；(4)沉积完毕后取出基体，用去离子水冲洗，得到浅黑色或灰蓝色的渗铌钢。所述步骤(1)中铝粉和NbCl5的摩尔比为3 1、3 2、1 3、2 1或2. 4 1 ； 还原过程中使用的试剂均为分析纯试剂。
所述步骤(3)基体预处理的方法是将基体进行机械打磨，打磨后用去离子水冲 洗，再用乙醇脱脂，最后冷风吹干。所述步骤(3)中采用直流恒电压的方式进行电沉积时可以一步完成，此时所述沉 积时的电压范围为12V 25V，沉积时间lOmin 12h。所述步骤(3)中采用直流恒电压的方式进行电沉积分为两步进行即先在一个直 流恒电压下进行电沉积，沉积一段时间后升高或者降低电压，当电压达到恒定时再进行沉 积；所述沉积时的电压范围为12V 25V，阴阳极间距为1cm 3cm，沉积时间lOmin 12h， 离子液体的温度控制在70°C 160°C。本发明相比于现有技术，具有突出的技术效果(1)本发明以离子液体电沉积铌的方法解决了水溶液中无法得到铌镀层的问题；(2)按照本发明的实施条件，渗铌钢中铌的含量可由工艺条件控制。(3)本发明沉积过程中使用的沉积液是绿色环保的离子液体，不会造成环境污染。(4)本发明的实施不需要大型的生产设备，工艺过程简单、易操作。
具体实施例方式取厚1mm的钢板，机加工成10mmX30mm的矩形片。实施例1(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 3. 6 1. 2 1. 3，同时 向溶液中添加质量分数为2. 7%的NaCl。(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，铝片为阳极， 阴阳极间距为1cm，控制电渗液温度为100°C，在28. 3V电压下恒压沉积12h，沉积完毕后取 出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为0. 30%的不锈钢。实施例2(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 2. 4 1. 2 1. 3，同时 向溶液中添加质量分数为1 %的NaCl。(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，铝片为阳极， 阴阳极间距为3cm，控制电渗液温度为100°C，在17. 0V电压下恒压沉积15min，再升压至 28. 7V沉积45min，沉积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为0. 88%的不锈钢。实施例3(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 2. 4 1 1.3，同时向 溶液中添加质量分数为3%的NaCl。
(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，铝片为阳极， 阴阳极间距为2cm，控制电渗液温度为70°C，在28. 7V电压下恒压沉积30min，再降压至 19. 6V沉积10h，沉积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为1. 29%的不锈钢。实施例4(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 3 2 4，同时向溶液 中添加质量分数为2. 7%的NaCl。(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，铝片为阳极， 阴阳极间距为1cm 3cm，控制电渗液温度为130°C，在28. 7V电压下恒压沉积20min，再降 压至18. 0V沉积13min，沉积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为3. 55%的不 锈钢。实施例5(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 1 3 10，同时向溶 液中添加质量分数为2%的NaCl。(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，纯铌片为阳 极，阴阳极间距为2cm，控制电渗液温度为155°C，在15. 9V电压下恒压沉积12min，再升压至 21. 8V沉积1小时20分钟，沉积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为8. 28% 的不锈钢。实施例6(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 3 1 4，同时向溶液 中添加质量分数为2. 7%的NaCl。(2)基体表面电渗铌将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，纯铌片为阳 极，阴阳极间距为1cm 3cm，控制电渗液温度为70°C，在28. 7V电压下恒压沉积20min，沉 积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为0. 35%的不锈钢。实施例7(1)配置离子液体电渗液向乙醚中加入铝粉和NbCl5，将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸 盐离子液体中，控制电渗液组分的比例为A1 NbCl5 emimOTf = 2 3 10，同时向溶 液中添加质量分数为1. 5%的NaCl。(2)基体表面电渗铌
将经过预处理的钢基体放入上述离子液体电渗液中，不锈钢为阴极，纯铌片为阳 极，阴阳极间距为2cm，控制电渗液温度为155°C，在28. 9V电压下恒压沉积15min，再降压至 21. 8V沉积1小时20分钟，沉积完毕后取出不锈钢，用去离子水冲洗，得到含Nb为0. 52% 的不锈钢。
权利要求
离子液体中钢表面电渗铌的方法，包括以下步骤(1)向乙醚中加入铝粉和NbCl5，铝粉和NbCl5的摩尔比为3∶1～1∶3；(2)将步骤(1)所得溶液加入到1 乙基 3 甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体中，控制铝粉、NbCl5和1 乙基 3 甲基咪唑三氟甲磺酸盐三者的比例在3∶1∶1～1∶3∶10；添加浓度为1％～3％质量分数的NaCl溶液，配置成离子液体电渗液；(3)将经过预处理的钢基体放入步骤(2)离子液体电渗液中，钢基体为阴极，纯铌板或纯铝板为阳极，采用直流恒电压的方式进行电沉积；电压范围为12V～30V，阴阳极间距为1cm～3cm，沉积时间10min～12h，离子液体电渗液的温度控制在70℃～160℃；(4)沉积完毕后取出基体，用去离子水冲洗，得到浅黑色或灰蓝色的渗铌钢。
2.根据照权利要求1所述的离子液体中钢表面电渗铌的方法，其特征在于步骤(1)中 铝粉和NbCl5的摩尔比为3 1、3 2、1 3、2 1或2.4 1 ；还原过程中使用的试剂均 为分析纯试剂。
3.根据利要求1所述的离子液体中钢表面电渗铌的方法，其特征在于步骤(3)基体预 处理的方法是打磨后用乙醇脱脂并吹干。
4.根据权利要求1 3所述的离子液体中钢表面电渗铌的方法，其特征在于步骤(3) 中采用直流恒电压方式进行电沉积分两步进行分别在两个不同的直流恒电压下沉积；所 述沉积的电压范围为12V 30V，沉积时间lOmin 12h，离子液体的温度控制在70°C 160 °C。
全文摘要
离子液体中钢表面电渗铌的方法，向乙醚中加入铝粉和NbCl5，铝粉和NBCl5的摩尔比为3∶1～1∶3；将所得溶液加入到1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐离子液体中；添加浓度为1％～3％质量分数的NaCl溶液，配置成离子液体电渗液；将经过预处理的钢基体放入离子液体电渗液中，钢基体为阴极，纯铌板或纯铝板为阳极，采用直流恒电压的方式进行电沉积；电压范围12V～30V，阴阳极间距1cm～3cm，沉积时间10min～12h，离子液体电渗液的温度70℃～160℃；沉积完毕后取出基体，用去离子水冲洗，得到浅黑色或灰蓝色的渗铌钢。本发明解决了水溶液中无法得到铌镀层的问题，并且绿色环保，工艺过程简单、易操作。
文档编号C25D3/54GK101949044SQ20101029139
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者曹彩红, 梁成浩, 黄乃宝 申请人:大连海事大学