改进硬度和耐腐蚀性的表面处理方法 本发明涉及制品的处理方法，以提供耐磨、耐腐蚀的表面。
【发明背景】
称为“不锈钢”的有些钢组合物本身具有部分耐腐蚀性，而在此称为“普通”或“碳”钢的其他钢组合物则不具有耐腐蚀性。不锈钢制品比类似的普通钢制品的价格更昂贵。为了以较低的成本获得某些不锈钢的优点，也为了进一步改进部分不锈钢，可以对钢制品的表面进行处理，以改进其耐腐蚀性。
在广泛用于处理钢制品，如武器部件的一种方法中，在一系列步骤中仔细地清洗该制品，然后使其与热的酸性磷酸盐溶液接触。磷酸盐溶液与钢反应，在钢表面生成一种磷酸盐基化合物的转化涂层。这种通常称为帕克法磷化表面处理(Parkerizing)的方法改进了钢对一些腐蚀性环境的耐腐蚀性。在另一种方法中，以可控制的方式氧化钢制品，以生成氧化铁涂层，该方法根据所获得的颜色被称为“发蓝处理”。用于钢和其他金属的许多其他类型的耐腐蚀涂层也是已知的。
用于钢和其他金属的通常可用的涂层能够获得改进的耐腐蚀性，但此类涂层比较容易因磨损而脱落，因此不具有所期望的耐久性。此外，许多涂层还有颜色和不良的产品外观。例如，帕克法磷化表面处理会导致耐磨性不良的粗糙表面。
另一方面，有许多提高表面耐磨性地方法。常对普通钢进行渗碳或渗氮处理，以在表面生成富碳或富氮层，该层硬度更高，因此比下层的金属具有更好的耐磨性。但是，此种耐磨涂层在许多常见的腐蚀性环境中不具有良好的耐腐蚀性。
需要改进金属，如钢的表面处理方法，从而使处理后的金属既具有耐磨性又具有耐腐蚀性。本发明满足了此种改进的需要，并进一步提供了相关的优点。
发明概述
本发明提供了一种表面既具有高耐磨性又具有高耐腐蚀性的制品。通过控制处理过程，可以在大范围内改变表面的颜色和外观。如果在使用一段时间以后，制品的耐腐蚀性降低，可以通过一种相对简单、便宜的处理使其恢复。在一个优选的实施方案中，在表面吸收和保持油，以进一步改进其耐腐蚀性。
按照本发明，该制品包括一个具有表面的基材和在基材表面上的耐磨涂层，优选金属间化合物，其中耐磨涂层具有贯穿其中的微孔。在通过所述微孔可到达的基材表面的部分有耐腐蚀涂层。
在相关的处理中，用于制备该制品的一种方法包括下列步骤：提供具有表面的基材；在所述基材表面上涂布耐磨涂层；此后使涂有耐磨涂层的基材表面与可在基材上形成耐腐蚀无机涂层的反应物接触。
优选的基材是钢，优选是普通钢(与不锈钢不同)。理想的钢耐磨涂层是包括至少一种选自氮化钛(TiN)、氮化二钛(Ti2N)、氮化铝钛((TiAl)N)、腈化钛(Ti(CN))、腈化铝钛((TiAl)(CN))、氮化铬(CrN)和氮化锆(ZrN)的化合物及其混合物的氮化钛基涂层。这些化合物具有良好的耐磨性，并且通过选择化合物及其处理方法，可控地生产其产品的颜色和外观。优选耐腐蚀涂层是转化涂层，如磷酸盐。
耐磨涂层，如氮化钛基涂层使制品予以良好的耐磨性，并且当该涂层在表面上时，使制品予以良好的耐腐蚀性。但是，本发明的发明人发现在耐磨涂层上可能有，并且经常是小的开口或裂纹，在此统称为“微孔”。下面的制品基材表面通过这些微孔暴露在外界环境中。即使在仔细涂布的制品中，微孔也可能存在，或者也可能故意引入微孔，以使油保持在其中。此类微孔可能起因于涂布操作的不均匀或起因于因耐磨涂层较低的延展性而在随后产生的裂纹。不论微孔的起因如何，微孔提供了使下面的表面发生腐蚀的位置，导致其被腐蚀损坏。
在不了解这些知识时，在涂布耐磨涂层后再形成耐腐蚀涂层被认为是不必要的，因为耐磨涂层材料本身具有相当好的耐腐蚀性，因此在涂布了耐磨涂层后没有理由再涂布耐腐蚀涂层。接下来涂布的耐腐蚀涂层对耐磨涂层表面的影响很小，但它对通过微孔暴露的基材的部分表面具有显著的影响。涂布制品的大部分表面仍然是耐磨涂层，因此该制品对磨损和腐蚀损坏均具有良好的耐磨性。但该制品也具有良好的耐腐蚀性，因为原本暴露在外的制品表面得到了保护。
优选首先涂布耐磨涂层然后涂布耐腐蚀涂层的本处理方法用于新制品上。此后，由于磨损性使用或其他原因，在耐磨涂层上可能产生额外的微孔。由此在基材上暴露出新的不受保护的表面区域，并且在这些区域可能发生腐蚀。在这种情况下，可以重复耐腐蚀涂布处理，以保护新暴露的表面区域。
通过下文对优选实施方案更详细的描述并结合通过实例说明本发明原理的附图，可以更容易理解本发明的其他特征和优点。但是，本发明的保护范围不限于优选实施方案。
对附图的简要说明
图1是由本发明方法保护的制品的透视图；
图2是沿2-2截取的图1制品的制品的放大的截面图；
图3是实施本发明的一个优选方法的工艺流程框图；
图4是本发明的沉积装置的示意性平面图和流程图；
图5是图4的沉积装置的局部示意性透视图；
图6是沿图5的6-6截取、优选的阴极电弧光源的示意性截面图；和
图7A-C是涂布制品的一系列放大横截面图，其中图7A表示第一个实施方案，图7B表示第两个实施方案，图7C表示第三个实施方案。
对发明的详细描述
图1示出了本发明的制品20。在一种优选的应用中，制品20是武器的一个部件，如普通钢枪管。但是，本发明不限于此种应用。实际上，许多种制品得益于本发明方法的应用。具体实例包括体育用品，如高尔夫球棍头、航海器具、军事器具、工业器具和农业器具。
图2通过放大图示意性地表示制品20的表面22的区域。耐磨涂层24涂布并粘附在制品20的表面22上，制品20用作涂层24的基材。耐磨涂层24也是耐腐蚀和耐侵蚀的，但为了表达的简洁，在此仅称为“耐磨”。耐磨涂层由耐磨性、耐腐蚀性和耐侵蚀性高于制品20制造材料的材料制成。
在此称为微孔26的狭窄的开口贯穿耐磨涂层24到达制品20暴露的表面28。由于耐磨涂层26的沉积处理的性质，微孔26可能是无意形成的。由于微孔26能够吸油，也可能是故意形成的。这些微孔的宽度通常很小，但侵蚀性液体，如水和气体，如氧气能够渗透进入微孔26到达暴露的表面28。结果，在缺乏进一步的保护时，在损坏制品的环境下，暴露的表面28将成为开始腐蚀损坏的位点。虽然微孔26内最初存在的油可能抑制腐蚀的发生，但多数腐蚀性环境会使油从微孔内释放出来并损失。
在微孔26内和底部，在暴露的表面28上形成耐腐蚀涂层30。通过能够在微孔26底部生成涂层的方法来形成耐腐蚀涂层30。这样，例如，优选通过气相或液相化学反应或沉积方法形成耐腐蚀涂层，而不是通过要求从沉积源至沉积区视线暴露(line-of-sight exposure)的物理沉积技术，如汽相沉积形成耐腐蚀涂层。此种视线暴露对于暴露表面28的有些部分是不可能的。
耐磨涂层24为制品24的大部分表面22提供耐磨、耐腐蚀和耐侵蚀的保护。耐腐蚀涂层30为原本暴露的表面28提供防腐蚀保护，但耐磨性和耐腐蚀损坏性较差。但是，因磨损和/或腐蚀而损坏耐腐蚀涂层30的可能性很小，这是由于此类损坏发生的机制所决定的。磨损和腐蚀通常是由于制品的表面与其尺寸比微孔26的宽度大的外部装置的接触而发生。作为示例，在图2中示出了一个磨料颗粒32(图2为按照一定比例绘制。在实践中，颗粒32通常比孔径26的横向尺寸大得多)。即使磨料颗粒32拖过制品的表面并撞在制品的表面上，该颗粒也过大，不能进入微孔26的深处，直至涂有耐腐蚀涂层的微孔底部，在该底部耐腐蚀涂层30涂布于原本暴露在外的表面28上。这样，从在实际情况中发生的磨损和侵蚀机制的观点，涂布的制品20的性能如同耐磨涂层24是连续并且不存在微孔26一样。从在实际情况中发生的腐蚀机制的观点，涂布制品的性能如同其具有连续的涂层一样，因为耐磨涂层24和耐腐蚀涂层30共同覆盖并保护制品20的全部表面22。优选耐腐蚀涂层30是帕克法磷化表面处理涂层，该涂层提供了帕克法磷化表面处理涂层材料能够吸收大量油的额外优点，在多数腐蚀性环境中，所述的油不会从涂层30中流失，因此也不会从微孔26中流失。
耐磨涂层可以是金属间化合物。金属间化合物是含有在金属基体内形成稳定相的二种或多种元素的组合物。金属间化合物可以在单一的组合物状态或多种组合物范围状态下稳定。此类金属间化合物通常比临近的组合物(adjacent composition)具有更高的硬度，因此具有较高的耐磨性和耐侵蚀性。他们通常还具有耐腐蚀性。
对于钢制品，优选的耐磨涂层是氮化钛基组合物，如氮化钛(TiN)、氮化二钛(Ti2N)、氮化铝钛((TiAl)N)、腈化钛(Ti(CN))、腈化铝钛((TiAl)(CN))、氮化铬(CrN)和氮化锆(ZrN)或其混合物。也可以使用碳化物和其他涂层。涂层可以是此类组合物的单层，涂层也可以是多层，这将在下文进行讨论。化学符号的缩写不限于单一的组合物。例如，“TiN”包括25％原子比的钛，75％原子比的氮；50％原子比的钛，50％原子比的氮；以及75％原子比的钛，25％原子比的氮的组合物。
耐腐蚀涂层30优选为化学转化涂层，通过使制品20的制造材料与从外部引入的物质在暴露的表面28上发生化学反应生成该涂层。优选普通钢的耐腐蚀涂层是通过使热酸性正磷酸盐溶液与钢反应生成的磷酸盐涂层。优选的磷酸盐涂层是磷酸锌或磷酸镁。一种被称为“帕克法磷化表面处理涂层”的涂层是最优选的耐腐蚀涂层30。
图3示出了实施本发明的一种优选的方法。数字40表示以未涂布的形式提供制品20。按照通常用于此类制品的处理方法准备所述未涂布的制品。
数字42表示涂布耐磨涂层24。使用任何可行的技术涂布耐磨涂层。图4和图5描绘了一种通过涂布耐磨涂层24处理制品20的沉积装置50。该沉积装置50包括具有本体54和门56的沉积室52，门56可以打开，以进入沉积室52的内部，并且当沉积室52处于运转状态时，门56密封本体54。沉积室52的内部由真空泵58通过闸阀60运转可控制地抽空。真空泵58包括以常见的方式共同运转的带有鼓风机的机械泵和扩散泵。通过回充阀64能够将沉积室52的内部可控制地回充至来自气源62的选定气体的一定分压。气源通常包括几种可单独操作的气体。气源62通常包括惰性气体源62a，如氩气、氮气源62b和含碳气体62c，如乙炔，每种气源通过各自的选择阀65a、65b或65c选择性和独立地提供气体。也可以根据需要提供其他类型的气体。
通过真空计66监控沉积室52内的压力，真空计的输出信号提供给压力控制器68。压力控制器68控制闸阀60和回充阀64(以及可选择控制选择阀65)的设置，实现泵吸和回充气流的平衡，以在沉积室52内产生期望的压力及真空计66的压力读数。这样，优选沉积室52内的气体回充气氛是流动或动态气氛。
以圆周间隔分开的方式，在沉积室52内安装至少两个，优选如图所示四个条形沉积源70。由于在下文的讨论中将分别提及四个沉积源，在图4中，将四个沉积源分别称为70a、70b、70c和70d。所述四个沉积源70通常是矩形体，该矩形体具有与沉积源的轴线72平行的最大的线性尺寸。此种类型的沉积源不同于在沉积处理过程中沿基材的长度方向移动的固定点沉积源或点沉积源。
在沉积室52内安置一个基材支架74。该基材支架74使安装在其上的基材进行复合旋转运动。优选的基材支架74包括围绕旋转轴78旋转的旋转支架76，旋转支架由位于旋转支架76下面的旋转驱动马达80驱动。在旋转支架76上安装至少一个，优选如图所示六个行星支架82。行星支架82由位于其下面的行星驱动马达86驱动围绕旋转轴84旋转。旋转驱动马达80和行星驱动马达86的速度由旋转控制器88控制。概括地说，上文已经分别讨论了旋转驱动马达80和行星驱动马达86，但可以通过使用适当传动装置的单一的马达提供上述二种运动。
为了进行沉积处理，使用固定装置将制品20安装在行星支架82上，从而使制品的长轴(如果有)与旋转轴84平行。这样，当旋转支架76和行星支架82旋转时，制品20也连续地旋转，从而使其各个面均被涂布。在工业操作中，通常按照如图所示的方式在每个行星支架82上安装多个制品20，如图示出了一个行星支架82。
在沉积装置50中，制品20的长轴(如果有)、沉积源轴72、旋转轴78和旋转轴84均被设置为与公共轴90基本平行。
使用在沉积室52内的一侧平行延伸至沉积源70的加热器92在沉积过程中控制制品20的温度。优选加热器92是使用电阻元件工作的辐射加热器。经验表明，由于支架76和82的旋转运动以及制品20的保温能力，位于沉积室52一侧的单一加热器足以均匀加热基材。使用温度传感器94，例如使用能够观察沉积室内部的红外传感器来监控基材制品20的温度。将通过传感器94测量的温度提供给为加热器提供功率输出的温度控制器96。通过这种反馈方式，温度控制器96能够设定基材制品的温度。(通过沉积处理，该制品被加热至一定程度，从而使加热器成为控制制品温度的精确调节的装置)。在涂布了钛化合物涂层的钢制品20的优选处理过程中，将该制品加热至从约600°F至约900°F的温度。
图6示出了以沉积源70的优选形式使用的阴极电弧离子源100。阴极电弧离子源100包括一个沟槽状的本体102和一个沉积靶104。沉积靶104呈板状，使用O型环106将其密封在本体102上，形成不透水和不透气的中空内部结构108。使用在入水口110和出水口112之间流动的冷却水冷却内部108。两个凹形永磁体114在与沉积源轴72(该轴与图6的平面垂直)平行的方向延伸。在本体102外侧的沉积靶104的上方设置一个撞针电极(striker electrode)118。通过电弧离子源电源120在撞针电极118和沉积靶104之间施加电压VARC。优选VARC在约10至约50伏之间。
最初形成沉积靶104的阳离子物质沉积在基材制品20上，如果需要，所述阳离子物质与产生阴离子的来自室内气体的气体原子一同沉积。在优选的实施方案中，沉积靶104由钛(Ti)，或等原子钛铝化合物(equiatomic titanium aluminide)，或25％原子比的Ti，75％原子比的Al，或75原子比的Ti，25％原子比的Al制成，所有上述化合物统称为TiAl。其他可用作沉积靶材料的阳离子物质包括元素周期表中第IV-VI族的金属，包括但不限于钒、铬、锆、铌、钼、铪、钽和钨。也可以使用其他金属，如铝。沉积靶也可以由合金或金属间化合物制成，如Ti-6Al-4V或Ti3Al。
为完成沉积，在撞针电极118和沉积靶104之间触发电弧，局部加热沉积靶104，使带正电荷的钛或钛铝化物离子(阳离子)从沉积靶104上溅射出来(因此，沉积靶104随着沉积的进行逐渐变薄)。电弧在沉积靶104上的触发点在沿沉积靶104长度方向的轨道上移动。通过偏压电源122在沉积靶104和基材制品20之间施加负偏压VBIAS，从而使带正电荷的金属或金属间化合物离子向着制品20的方向上被加速。
优选VBIAS为从约-30至约-600伏。为VBIAS所选定的值决定撞击制品表面的离子能量，一种被称为离子撞击的现象。在典型的情况下，首先为VBIAS选择一个较大的负电压，以使第一金属层(下文讨论)良好地附着在基材制品上。在沉积了覆盖的硬涂层(hard layer)后，降低VBIAS(减少负压)，以在涂层上形成均匀的精细微观结构。维持VBIAS为获得附着涂层的尽可能低的数值是理想的。VBIAS高于-600伏，最优选高于-400伏。如果VBIAS负压过大，制品的局部区域可能发生电晕效应和反向溅射，并且在已经沉积涂层的情况下，可能会除去已经沉积的涂层。
优选所述阴极电弧离子源，但也可以使用其他类型的离子源，如溅射离子源。
通过协同选择沉积靶104的材料及由气源62引入沉积室内的气体，可以在制品20上沉积多种耐磨涂层24。在各种情况下，优选涂层24的总厚度为从约1微米至约5微米。如果涂层厚度低于约1微米，涂层的物理性质不足以生成所需要的结果。如果涂层厚度高于约5微米，涂层具有高内应力，将导致涂层在沉积或使用过程中开裂并从制品20上剥落。
图7A-7C通过图示说明优选方案和可制备的涂层结构，描绘了三种相关的涂层系统24a-24c(这些图没有按比例绘制)。但本发明不限于这些涂层系统24a。图7A的涂层24a包括与制品20的表面接触的第一金属钛层132。第一金属层帮助覆盖层粘附在制品的表面上。优选第一层132很薄，厚度在约100埃至约600埃的数量级。通过用约5微米(micron)低分压的惰性气体，如流动的氩气(以每分钟约200-450标准立方米(sccm)的流量在本发明人所使用的装置中流动)回充沉积室，然后用约-400伏的VBIAS从沉积靶104沉积钛来沉积第一层132。因为氩与钛不发生化学反应，所以第一层132是金属钛层。第二层134覆盖第一层132。第二层134是氮化钛(TiN)，通过用约5微米低分压的流动氮气(以约150-500sccm的流量在本发明人所使用的装置中流动)回充沉积室，然后用约-50伏的VBIAS从沉积靶104沉积钛来沉积所述第二层。钛阳离子与氮阴离子结合生成134层中的TiN涂层。第二层134的厚度是使涂层的总厚度为约1-1/2至约5微米。
在图7B所示涂层24b的另一个实施方案中，使用上文所描述的涉及涂层24a的方法首先沉积第132和134层，其中132层的厚度为约100-600埃，134层的厚度为约1/4至约1微米。通过用约1-2微米低分压的流动含碳气体，如乙炔(以约10-150sccm的流量在本发明人所使用的装置中流动)以及约3-4微米分压的流动氮气(以约100-300sccm的速度在本发明人的装置中流动)回充沉积室来沉积腈化钛(Ti(CN))第三层136。含碳气体和氮气的总压约为5微米。从沉积靶104沉积钛。钛与含碳气体中的碳和氮气反应，沉积腈化钛第三层136。通过重复用于沉积第二层134的步骤沉积TiN第四层138。优选第三层和第四层每层的厚度为约1/4至约1微米。如果需要，也可以用不同的方式沉积其他层。选择每层的厚度，从而使涂层的总厚度为约1-1/2至约5微米。
在图7C所示涂层24c的另一个实施方案中，按照针对涂层24a的描述，首先沉积132和134层，其厚度分别为约100-600埃和约1/4至约1微米。通过用约5微米低分压的流动氮气(以约100-300sccm的流量在本发明人的装置中流动)回充沉积室，然后从沉积靶104沉积钛铝化物来沉积钛铝氮化物((TiAl)N)第三层140。钛铝化物阳离子与氮阴离子反应生成所述第三层。
如图7A和7B的实施方案，当钛是待沉积在涂层24中的唯一阳离子物质时，所有沉积源70a、70b、70c和70d使用钛沉积靶104。如图7C的实施方案，当另一种阳离子物质，如铝与钛共同沉积时，部分沉积源使用钛沉积靶，部分沉积源使用合金沉积靶，如TiAl沉积靶。例如，为沉积图7C的涂层，沉积源70a和70c由钛沉积靶104制成，沉积源70b和70d由钛-铝沉积靶104制成。在沉积132层(沉积室中充入惰性气体)和134层(沉积室中充入氮气)的过程中，操作沉积源70a和70c，在沉积140层(沉积室中充入氮气)的过程中，操作所有沉积源70a-70d。
在涂层24内使用不同层会产生二种不同类型的结果。首先，涂层的机械和物理性能随涂层的类型、硬度和厚度变化。其次，涂层的颜色取决于位于涂层最上面的表层。本发明涂布技术所产生的颜色持久且不容易剥落，由于涂层的硬度大，所述颜色不易从表面上磨掉，由于涂布后的制品呈现出有吸引力的外观，上述特性是理想的。例如，TiN表层是金黄色的，而(TiAl)N表层是有光泽的灰色。也可以涂布其他涂层，如Ti2N和(TiAl)(CN)，以改变涂层的性能和颜色。
图7A-7D示出了形成涂层24的较少的层数。如果需要，本发明方法可以使用更多层，以使涂层24生成多种性能。第一金属层132通常与覆盖层的基底金属相同，但也并非一定相同。覆盖层可以是相同或不同的组合物。
对裸眼而言，在步骤42中涂布的耐磨涂层24看上去可能是连续的，不存在微孔26。但是，实际上不可能沉积不存在微孔26的最理想的耐磨涂层。因此，不论看上去是否存在微孔26，本发明的处理均要求制备耐腐蚀涂层30。
数字44表示涂布耐腐蚀涂层30所必要的程序，以在原本暴露在外的表面28上涂布耐腐蚀涂层。步骤44必须在步骤42之后，而不能在步骤42之前或同时进行。也就是说，必须在涂布耐腐蚀涂层30之前涂布耐磨涂层24，而不能在涂布耐腐蚀涂层之后或同时涂布耐磨涂层24。
耐腐蚀涂层是无机涂层，不是有机涂层或有机衍生物涂层，如油漆。可以通过任何可行的技术涂布耐腐蚀涂层。虽然可以使用其他可行的方法，但优选使用液体溶液的转化涂层。用于特定的金属基材和用于其他环境和应用中的制备转化涂层的方法在本领域中是已知的。例如，参见Harold Hoffman的《金属表面精整全书》(The Complete MetalFinishing Book)H&P出版社，圣安格鲁，德克萨斯州(1992)第五章，第131-142页，金属的帕克法磷化表面处理。简要地说，被称作帕克法磷化表面涂层的转化涂层的制备步骤是使用物理和化学清洗技术首先从制品的表面清除全部灰尘和锈垢。然后在酸性磷酸盐溶液，如热的稀释正磷酸镁或正磷酸锌，如ZnH2PO4加H3PO4溶液中煮沸制品，通常在约170°F煮沸约40分钟。
作为步骤44的一部分，可以选择对涂层24进行处理，以使油渗入表面。帕克法磷化表面涂层吸油性好，在耐腐蚀涂层30和涂层结构中产生强烈的吸收和保持油的能力。作为对比，如果仅有带有微孔26的耐磨涂层24，油可能会被理想地吸入微孔中，但当暴露在导致腐蚀的腐蚀性环境的过程中，油将流失。
将本发明归纳为进行两个独立的实验系列。在第一个实验系列中，分别对三组单独的高尔夫球棒轻击头进行如下处理：不涂布涂层、用(TiAl)N涂层涂布以及用(TiAl)N涂层涂布然后帕克法磷化表面处理。然后给所有的高尔夫球棒轻击头涂油。每组中的高尔夫球棒轻击头分别由1018钢和11-L17钢制成，但不同类型的钢的结果基本相同。将各种高尔夫球棒轻击头置于盐喷室内并进行对比实验。未涂布涂层的高尔夫球棒轻击头失掉了油并且锈蚀非常严重。仅有(TiAl)N涂层的高尔夫球棒轻击头失掉了油并发生了锈蚀，但锈蚀不如未涂布涂层的高尔夫球棒轻击头严重。用(TiAl)N涂布然后进行帕克法磷化表面处理的高尔夫球棒轻击头保持了油并没有发生锈蚀。
在第两个实验系列中，一组枪管由不锈钢制成，另一组枪管由铬-钼钢制成。在铬-钼钢枪管上涂布(TiAl)N然后进行帕克法磷化表面处理。两组枪管均涂油。将两组枪管暴露于阿拉斯加海港的盐水喷雾中约6个月。在该暴露期间结束时，不锈钢枪管被腐蚀，但铬-钼钢枪管没有被腐蚀。
虽然为了说明的目的，详细描述了本发明的特定实施方案，但可以在不偏离本发明的实质和范围的情况下可以对本发明进行各种改进和充实。因此，本发明的保护范围由所附权利要求限定。