一種離子液體中直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法

2023-06-10 09:53:36 1

一種離子液體中直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法
【專利摘要】[BMIM]Br離子液體中三價鉻直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法,是涉及表面工程與表面處理的技術，包括三價鉻離子液體鍍液的配製、電沉積工藝技術等。本發明鍍液體系的電流效率高達95%，比普通水溶液三價鉻鍍液體系電沉積鉻鍍層的電流效率高出約45個百分點；採用本發明製備的晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層光亮緻密平整、與基體結合力強，其在空氣中的耐磨性和耐腐蝕性優異。適合金屬或金屬合金表面的腐蝕防護、裝飾性等領域的要求。
【專利說明】一種離子液體中直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及離子液體電沉積金屬鉻的方法，特別是一種離子液體直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法。
【背景技術】
[0002]高體積分數的晶界阻礙了位錯的遷移，使得納米晶鍍層材料具有很高的硬度和強度，並具有很好的摩擦磨損性能。與其它方法相比，電沉積方法所製備的納米晶鍍層材料具有更高的強度、硬度、耐磨性和耐蝕性，因而其在機械、化工、電子、能源等領域將得到廣泛應用。鉻鍍層，尤其是納米晶鉻鍍層本身具有優良的耐蝕性、電磁性、電催化性等特性，已被廣泛應用於腐蝕防護、電子材料、軟磁材料、電催化材料等領域。離子液體作為一種「綠色溶劑」，具有獨特的物理化學性質(電化學窗口寬、電導性好、低熔點、非揮發性)，開發離子液體中鉻鍍層的製備技術備受關注。如Ali採用AlCl3型離子液體成功製備了鉻含量高達50%的Al-Cr合金鍍層，可惜該技術採用還原性的二氯化鉻作為鉻源；2004年Abbott首次採用三價鉻作為鉻源，在ChCVCrCl3.6Η20離子液體中成功獲得了鉻鍍層，但此鉻鍍層的硬度僅為242 Ην，較三價鉻水溶液體系製備的鉻鍍層硬度(典型的硬度為800-900 Hv)要低；崔焱等也採用ChCVCrCl3.6Η20離子液體體系，製備了具有明顯微裂紋的鉻鍍層。2011年，S Eug6nio等首次採用[BMIm][BF4]離子液體，成功製備了三價鉻黑鉻鍍層，但其結構為非晶態。如需製備晶態納米晶鉻鍍層，還需經過後續的高溫熱處理。

【發明內容】

[0003]為了解決普通水溶液體系三價鉻鍍層存在嚴重質量缺陷(微裂紋、多針孔)與工藝缺陷(電流效率低)和現有離子液體體系中難直接製備晶態鉻鍍層等問題。本發明充分利用離子液體鍍液體系的特點，提供一種離子液體直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法。本發明方法簡單，操作容易，`具`有經濟實用性和低毒性的特點。
[0004]本發明的目的是通過下述方式實現的:
一種離子液體直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法，包括離子液體鍍液的配製、電沉積技術工藝等。具體工藝和條件為=(I)Cr3+選用CrCl3.6H20或Cr2(SO4) 3，或CrCl3.6Η20和 Cr2 (SO4) 3 的混合物，離子液體[BMIMjBr0 配製鍍液前，CrCl3.6Η20或Cr2 (SO4)
3需在50-95°C溫度下乾燥至恆重。配製後，鍍液需在真空乾燥的條件下靜置反應4-72 h小時，即得待用的離子液體鍍液。(2)以預處理好的被鍍件(金屬或金屬合金製品)試樣為陰極，以不溶性陽極(如石墨、鉬片等)為陽極。電鍍方式可為掛鍍、滾鍍、刷鍍等。電解液配方和電沉積工藝參數:Cr3+ 0.1-1.0 πι01.?Λ溶劑為[BMM]Br離子液體。電沉積鍍液溫度為15-90°C，陰極電流密度0.2-20.0 mA.cm_2，陰、陽極間距0.5-50 cm。在上述工藝條件下，可獲得晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層，鉻鍍層厚度隨電沉積時間延長而增厚，最厚可達20 Mm (微米)。[0005]本發明三價鉻鍍液體系的電流效率高達95 %，比一般普通三價鉻鍍液體系電沉積鉻鍍層的電流效率10-50%高出約45個百分點，屬於低毒性、低能耗的技術工藝，大大降低了生產成本和生產過程的環境汙染。採用本發明製備的鉻鍍層厚度達20 μ? (三價鉻電沉積鉻合金鍍層的厚度一般僅幾個微米)，且鍍層光亮緻密平整、與基體結合力強，其在空氣中的耐磨性和耐腐蝕性優異。因此它特別適合金屬或金屬合金表面的腐蝕防護、耐磨增強等領域的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1晶態納米晶無裂紋鉻鍍層掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0007]以下實施例旨在說明本發明而不是對本發明的進一步限定。
[0008]實施例1
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.6 mol.L—1的CrCl3.6H20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在50 °C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置4小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍，電流密度為1.0 mA.αι2，陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min，電沉積溫度為60 °C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑(如乙醇)、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0009]實施例2
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.3 mol.L—1的CrCl3.6Η20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在95 °C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置72小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為1.0 mA.cm_2，陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min,電沉積溫度為60°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0010]實施例3
將Cr2(SO4) 3乾燥至恆重，以離子液體[BMIMJBr為溶劑，將0.2 mol.L-1的Cr2(SO4) 3溶解於[BMM]Br離子液體中，並在80 °C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置12小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通鋅片試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的鋅片試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為1.0 mA.cm_2，陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min,電沉積溫度為60°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0011]實施例4
將CrCl3.6H20和Cr2 (SO4)乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.1mol.T1Cr2(SO4) 3 和(λ 3 mol.T1CrCl3.6Η20 溶解於離子液體中，並在 70 °〇的溫度下攪拌至充分溶解，靜置48小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10mmX5 mmX2 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為1.0 mA.cnT2,陽極與基體之間的距離為0.5 cm,電沉積時間60 min,電沉積溫度為95 °C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0012]實施例5
將CrCl3.6H20和Cr2 (SO4)乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.3mol.T1Cr2(SO4) 3 和 0.7 mol.T1CrCl3.6H20 溶解於[BMM]Br 離子液體中，並在 80°C 的溫度下攪拌至充分溶解，靜置48小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10mmX5 mmX2 mm的普通紫銅試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的紫銅試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為1.0 mA.cnT2,陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min，電沉積溫度為60 °C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0013]實施例6
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.6 mol.L—1的CrCl3.6H20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在80°C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置24小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將半徑為50 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行滾鍍。電流密度為0.6 mA.cm_2，陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min,電沉積溫度為15 0C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面 得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0014]實施例7
將CrCl3.6H20和Cr2 (SO4)乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.3mol.T1Cr2(SO4) 3 和 0.3 mol.T1CrCl3.6H20 溶解於[BMM]Br 離子液體中，並在 80°C 的溫度下攪拌至充分溶解，靜置28小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10mmX5 mmX2 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為0.6 mA.cnT2,陽極與基體之間的距離為3cm，電沉積時間60 min，電沉積溫度為40 °C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0015]實施例8
將CrCl3.6H20和Cr2 (SO4)乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.3mol.T1Cr2(SO4) 3 和 0.4 mol.T1CrCl3.6H20 溶解於[BMM]Br 離子液體中，並在 80°C 的溫度下攪拌至充分溶解，靜置48小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10mmX5 mmX2 mm的黃銅試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的黃銅試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為0.6 mA.cnT2,陽極與基體之間的距離為7 cm，電沉積時間60 min，電沉積溫度為80°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0016]實施例9
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.6 mol.L—1的CrCl3.6H20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在80°C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置24小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通紫銅試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的紫銅試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為0.6 mA.cnT2，陽極與基體之間的距離為7 cm，電沉積時間90 min,電沉積溫度為80°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0017]實施例10
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.6 mol.L—1的CrCl3.6H20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在80°C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置72小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通碳鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的碳鋼試樣為陰極，以不溶性鉬片為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍，電流密度為1.0 mA.αι-2，陽極與基體之間的距離為30 cm,電沉積時間60 min,電沉積溫度為60°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
[0018]實施例11
將CrCl3.6H20乾燥至恆重，以離子液體[BMM]Br為溶劑，將0.6 mol.L—1的CrCl3.6Η20溶解於[BMM]Br離子液體中，並在80 °C的溫度下攪拌至充分溶解，靜置36小時，即得待用的三價鉻離子液體鍍液。將尺寸規格為10 mmX5 mmX2 mm的普通不鏽鋼試樣經常規電鍍預處理。以預處理好的不鏽鋼試樣為陰極，以不溶性石墨為陽極，直接置入離子液體鍍液體系中進行掛鍍。電流密度為1.0 mA.cm2,陽極與基體之間的距離為50 cm,電沉積時間60 min,電沉積溫度為60°C。將帶有電沉積層的基體從離子液體鍍液中取出後依次用有機溶劑、自來水衝洗，再經過乾燥，即在基體表面得到晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層。
【權利要求】
1.一種離子液體直接電沉積晶態納米晶無微裂紋鉻鍍層的方法，包括離子液體鍍液的配製、電沉積技術工藝。
2.根據權利要求1所述的鍍液為:Cr3+0.1-1.0 mol.L—1，溶劑為溴化1- 丁基-3-甲基咪唑([BMM]Br)離子液體。
3.根據權利要求1所述的離子液體鍍液的配製，其特徵在於:配製鍍液前，CrCl3.6Η20或Cr2 (SO4) 3需在50-95°C溫度下乾燥至恆重，配製所得溶液需靜置反應4-72 h小時後即得待用的離子液體鍍液。
4.根據權利要求1所述的電沉積技術工藝:被鍍件為陰極，陽極為不溶性電極，鍍液溫度為15-900C，陰極電流密度0.2-20.0 mA.cnT2，極間距0.5_50cm。
5.根據權利要求1所述的一種離子液體電沉積金屬鉻的方法，其特徵在於:陰極為經過常規預處理的金屬或金屬合金(如銅及銅合金、碳鋼、不鏽鋼、鋅及鋅合金)。
6.根據權利要求1所述的一種離子液體電沉積金屬鉻的方法，其特徵在於:陽極為不溶性石墨或鉬或鉬 合金。
【文檔編號】B82Y30/00GK103484900SQ201310424333
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】何新快, 吳璐燁, 侯柏龍 申請人:湖南工業大學