CN107632510B - 用于钟表机芯的构件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钟表构件(1)，该钟表构件包括至少一个经去屑机加工的部分(3)。所述部分(3)由非磁性铜合金制成，以限制其对磁场的敏感性，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。本发明涉及钟表机芯领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钟表机芯的构件，并且尤其涉及一种用于机械钟表机芯的非磁性钟表构件，并且尤其涉及非磁性的摆轴、叉轴以及擒纵齿轴。
背景技术
制造包括采用车削部件的形式的至少一个部件的钟表构件(例如钟表枢转心轴)包括在可硬化的钢棒上执行去屑机加工操作(例如，棒车削操作)以限定不同工作表面(轴承表面、肩部、枢转部等)以及然后使经机加工的钟表构件经受热处理操作，所述热处理操作包括用以提高所述构件的硬度的至少一个淬硬操作和用以提高心轴的韧性的一个或多个回火操作。在枢轴心轴的情况下，在热处理操作之后可接着进行滚压心轴的枢转部的操作，该操作包括将枢转部抛光成需要的尺寸。在滚压操作期间进一步改善了枢转部的硬度和粗糙度。值得注意的是，这种滚压操作对于大部分的低硬度材料(即，低于600HV)是非常困难的或甚至不可能的。
一般在机械钟表机芯中用到的枢转心轴例如摆轴由用于棒车削的钢种制成，所述钢种通常为包括用以提高其机加工性能的铅和锰硫化物的马氏体碳钢。一种称为20AP的已知的这种钢典型地用于这些应用。
这种材料具有易于进行机加工的优点，尤其是适合于进行棒车削，并且在硬化与回火之后具有优异的机械性能，这对制造钟表枢转心轴是非常有利的。这些钢在进行热处理之后尤其具有优异的耐磨性和硬度。典型地，由20AP制成的心轴枢转部的硬度在进行热处理和滚压之后可超过700HV。
虽然这种材料能为上述钟表领域应用提供令人满意的机械性能，但是缺点在于其具有磁性从而在经受磁场时会干扰手表的工作，尤其是在该材料被用于制造与由铁磁材料制成的游丝协作的摆轴时。这种现象已为本领域技术人员所熟知。还值得注意的是，这些马氏体钢还对腐蚀敏感。
人们已尝试利用奥氏体不锈钢来克服这些缺点，奥氏体不锈钢具有非磁性特性，即为顺磁性或反磁性或反铁磁性的。但是，这些奥氏体钢具有晶体结构，这使得无法对它们进行硬化以达到各硬度等级，从而无法达到满足制造钟表枢转心轴所需的要求的耐磨性。一种提高这些钢的硬度的方法为冷加工，但是这种硬化操作无法实现高于500HV的硬度。因此，对于由于摩擦需要高耐磨性并且要求枢转部变形的风险较小或不存在的零件而言，这种钢的使用仍然受限。
尝试克服这些缺点的另一种方法为在枢转心轴上沉积例如类金刚石碳(DLC)的材料的硬层。但是，已观察到硬层分层并且因此形成碎片的风险很大，这些碎片会在钟表机芯的内部到处运动并且会破坏其运行，这是不希望出现的结果。
在法国专利2015873中描述了一种类似方法，该专利提出制造一种至少主体是由特定的非磁性材料制成的摆轴。枢转部可由这种相同材料或钢制成。还可以沉积通过电镀或化学方法或通过气相(例如Cr、Rh等的)施加的附加层。该附加层很有可能出现分层。该文献还描述了一种完全由可硬化的青铜制造而成的摆轴。但是，没有提供有关制造枢转部的方法的信息。此外，由可硬化的青铜制成的构件的硬度低于450HV。对于本领域技术人员而言，这个硬度似乎不足以执行滚压处理。
根据专利申请EP 2757423还已知由钴或镍的奥氏体合金制成并且具有硬化至一定深度的外表面的枢转心轴。但是，这些合金可能显示出难以进行去屑机加工。此外，由于镍和钴的高成本，这些合金相对昂贵。
发明内容
本发明的目的为，通过提出一种既能限制对磁场的敏感性又能够达到满足钟表行业所需的耐磨性和耐冲击性要求的硬度提高的钟表构件，来克服全部或部分上述缺陷。
本发明的另一目的为，提供一种具有提高的抗腐蚀性的非磁性钟表构件。
本发明的又一目的为，提供一种能够被简单且经济地制造的非磁性钟表构件。
为此，本发明涉及一种用于钟表机芯的钟表构件，该钟表构件包括至少一个经去屑机加工的部分。
根据本发明，所述部分由非磁性铜合金制成，以限制其对磁场的敏感性，所述铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
这种钟表构件能够结合例如对磁场敏感性低、较坚硬和耐腐蚀性好的优点，同时还能保持良好的总体韧性。此外，如上文所限定的非磁性铜合金的使用还由于其容易进行机加工而是有利的。
提高至少经去屑机加工的部分的硬度是可能的。在这种情况下，根据第一变型实施例，至少经去屑机加工的部分包括沉积在所述部分的外表面上的硬化层。
根据另一变型实施例，为了提高硬度，至少经去屑机加工的所述部分的外表面相对于所述钟表构件的芯部被深硬化至预定深度。
因此，钟表构件的表面区域或整个表面被硬化，即，构件的芯部可以保持不改变或几乎不改变。通过对钟表构件的部分进行这种选择性硬化，除了上文所阐述的优点以外，钟表构件还可具有在主要应力区域硬度提高的优点。
此外，本发明涉及一种包括根据上述任意变型的钟表构件的钟表机芯。所述钟表构件例如为枢转心轴，经去屑机加工的部分的为至少一个枢转部。特别是，所述钟表构件可以是摆轴、叉轴和/或擒纵齿轴或螺钉、上条柄轴、游丝外桩等。
最后，本发明涉及用于制造用于钟表机芯的钟表构件的方法，该方法包括如下步骤：
a1)选取可进行去屑机加工的元件，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu；
b1)形成所述钟表构件；
c1)对所述钟表构件进行去屑机加工以形成所述钟表构件的至少一个经去屑机加工且由所述非磁性铜合金制成的部分。
本发明还涉及这样一种用于制造用于钟表机芯的钟表构件的方法，该方法包括如下步骤：
a2)选取可进行去屑机加工的元件，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu；
b2)对所述元件进行去屑机加工以形成所述钟表构件的至少一个部分；
c2)形成包括在步骤b2)中获得的所述部分的钟表构件。
为了提高至少经去屑机加工的部分的硬度，根据第一变型，本发明的方法可包括至少在经去屑机加工的所述部分的外表面上沉积硬化层的步骤d)。
根据另一变型，为了提高硬度，本发明的方法可包括至少在经去屑机加工的所述部分的外表面中使原子扩散至预定深度的步骤e)，以在主要应力区域对所述钟表构件进行深硬化，同时保持高韧性。
因此，通过使原子在本发明所使用的铜合金中扩散，经去屑机加工的部分的表面区域或整个表面被硬化，而不必在所述部分上沉积第二材料。实际上，硬化发生在所述钟表构件的材料内，这根据本发明有利地防止了任何后续的分层，这种分层在硬层沉积在钟表构件上的情况下会出现。
附图说明
参考所附附图从以非限制性示例给出的下述说明中，可以清楚地发现其它特征和优点，在所述附图中：
-图1为根据本发明的钟表构件的视图；以及
-图2为根据本发明的一个变型的钟表构件的经去屑机加工的部分在扩散处理操作之后和滚压或抛光操作之后的局部截面图。
具体实施方式
在本说明书中，术语“非磁性”指的是导磁率低于或等于1.01的顺磁性或反磁性或反铁磁性材料。
术语“去屑机加工”指的是通过去除材料以旨在赋予构件以给定公差范围内的尺寸和表面状态的任何成型操作。这种操作例如为棒车削、铣削或本领域技术人员所已知的任何其它工艺。
本发明涉及一种用于钟表机芯的构件，并且尤其涉及一种用于机械钟表机芯的非磁性钟表构件，例如枢转心轴。
下文将参考非磁性摆轴1的应用来描述本发明。当然，也可设想其它类型的钟表枢转心轴，例如钟表轮副心轴，典型地为擒纵齿轴或叉轴。这种构件具有直径优选小于2mm的本体和直径优选小于0.2mm的枢转部，其中精度为几微米。可设想的其它钟表构件为螺钉、上条柄轴、游丝外桩等，并且可具有与上文针对心轴所描述的那些尺寸类似的尺寸。
参考图1，其示出了根据本发明的摆轴1，该摆轴包括直径不同的多个区段2，所述区段优选通过棒车削或任何其它去屑机加工工艺形成并且按照常规方式限定有轴承表面2a和肩部2b，所述多个区段布置在限定两个枢转部3的两个端部之间。这些枢转部均意欲在轴承中枢转，典型地在宝石轴承或红宝石轴承的孔口中枢转。
由于由每天遇到的物体所感应出的磁性，限制摆轴1的敏感性以避免影响包含该摆轴的钟表的工作是很重要的。
令人惊讶的是，本发明在无需折衷的情况下能同时克服这两个问题并且还提供了额外的优点。因此，钟表构件1的至少经由去屑机加工形成的部分3由非磁性铜合金制成，以有利地限制其对磁场的敏感性，所述铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
优选地，非磁性铜合金包含按重量计11％到18％的Ni、7％到10％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
在尤其优选的示例中，非磁性铜合金包含按重量计12％到17％的Ni、7％到9％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
在尤其优选的示例中，非磁性铜合金包含按重量计14.5％到15.5％的Ni、7.5％到8.5％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
各种合金元素的比例选择成为合金提供非磁性特性和良好的机加工性能。
有利地，本发明中所使用的非磁性铜合金可不含铅，或者可包含按重量计小于或等于0.02％的铅。
有利地，非磁性铜合金可以是质量百分比构成为14.5％到15.5％的Ni、7.5％到8.5％的Sn、至多0.02％的Pb以及剩余的Cu的合金。这种合金由Materion公司出售，商标为
当然，也可设想满足本发明的定义的其它非磁性铜基合金，只要它们的构成比例同时满足非磁性性能和良好的机加工性能。
至少钟表构件1的部分3具有高于350HV的硬度。
令人惊讶和出乎意料的是，尽管由上文所限定的铜合金制成的部分3具有低于600HV的硬度，但可对其进行滚压。
为了提高至少经去屑机加工的部分3的硬度，根据本发明的第一变型，可提供至少沉积在所述部分3的外表面上的硬化层。这种附加层可以是通过PVC、CVD、ALD或电镀方法或任何其它合适的方法沉积的TiN、金刚石、DLC、Al2O3、Cr、Ni、NiP或者任何其它合适的材料的层。
根据本发明的另一变型，至少经去屑机加工的部分3的硬度可通过将所述部分3的外表面5(图2)相对于钟表构件的其余部分深硬化至预定深度来提高，以便根据本发明有利地在所述外表面上提供优异的硬度，同时保持较高的韧性。所述预定深度为部分3的总直径d的5％到40％，典型地介于5到35微米之间。
从而，部分3的经深硬化的外表面可具有高于600HV的硬度。
经验已证明硬化深度为部分3的总直径d的5％到40％例如对于摆轴的应用来说足够了，在这种情况下部分3为枢转部。作为示例，如果半径d/2为50μm，那么硬化深度优选为遍及部分3例如枢转部的大约15μm。显然，取决于应用，可提供介于总直径d的5％到80％之间的不同硬化深度。
优选地，部分3的深硬化的外表面5包括至少一种化学元素的扩散原子。所述化学元素例如为非金属化学元素，例如氮、氩和/或硼。实际上，如下文所述，通过原子在非磁性铜合金4内的填隙过度饱和，表面区域5被深硬化，而不需要在部分3上沉积第二材料。实际上，硬化在部分3的材料4内发生，这有利地防止了在使用期间的任何随后的分层。因此，根据本发明的该变型，部分3的外表面5包括硬表面层，但是没有直接沉积在所述外表面5上的附加硬化层。
因此，部分3的至少表面区域被硬化，即，部分3的芯部和/或钟表构件1的其余部分可保持不改变或几乎不改变，而不会对所述钟表构件1的机械性能进行任何重大改变。钟表构件1的经去屑机加工的部分3的这种选择性硬化使得能够在主要应力区域结合例如对磁场的敏感性低、坚硬以及高韧性的优点，同时提供了良好的抗腐蚀性和抗疲劳性。
显然，还可沉积除了硬化层以外的其它层，例如润滑层。
本发明还涉及用于制造上文所述的钟表构件1的第一种方法。本发明的该方法有利地包括以下步骤：
a1)取可进行去屑机加工的元件，例如棒，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu；
b1)形成钟表构件1；
c1)对所述钟表构件进行去屑机加工以形成所述钟表构件1的经去屑机加工且由所述非磁性铜合金制成的至少一个部分3。
本发明还涉及用于制造上文所述的钟表构件1的第二种方法。根据本发明，该方法有利地包括如下步骤：
a2)取可进行去屑机加工的元件，例如棒，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu；
b2)对所述元件进行去屑机加工以形成所述钟表构件1的至少一个部分3；
c2)形成包括在步骤b2)中获得的所述部分3的钟表构件1。
本发明中所使用的合金可通过称为斯宾那多分解(spinodal decomposition)的热处理来硬化。为了实现该目的，可进行去屑机加工的元件必须经受以下步骤：
-溶解；
-冷加工；
-通过斯宾那多分解进行硬化热处理(在360℃-370℃下进行2到4小时)。
因此，根据第一种可能性，本发明中所使用的可进行去屑机加工的元件可以以仅经受溶解和冷加工步骤的中间形式在步骤a1)或步骤a2)中加以使用。在那种情况下，对相对较软、可进行去屑机加工的元件执行去屑机加工的步骤c1)或b2)。然后通过斯宾那多分解对经机加工的元件执行硬化热处理。
根据第二种可能性，本发明中所使用的可进行去屑机加工的元件可以以经受了三个处理步骤(即，溶解、冷加工和利用斯宾那多分解的硬化热处理)的最终形式在步骤a1)或步骤a2)中加以使用。然后直接对坚硬的、可进行去屑机加工的元件执行去屑机加工的步骤c1)或c2)，而不需要利用斯宾那多分解进行任何随后的硬化热处理。
为了提高至少部分3的硬度，根据第一变型，本发明的方法可有利地包括至少在所述经去屑机加工的部分3的外表面5上沉积硬化层的步骤d)。优选地，步骤d)可包括通过PVC、CVD、ALD、电镀工艺或任何其它合适的工艺沉积TiN、金刚石、DLC、Al2O3、Cr、Ni、NiP或者任何其它合适的材料的层。
为了提高至少部分3的硬度，根据第二变型，本发明的方法可有利地包括至少在经去屑机加工的所述部分3的外表面5中使原子扩散至预定深度的步骤e)，以在主要应力区域对所述钟表构件1进行深硬化，同时保持高韧性。所述预定深度优选为所述经去屑机加工的部分3的总直径d的5％到40％之间。
根据本发明，无论选择哪个实施例，该方法均可有利地批量实施。因此，步骤e)可包括热化学扩散处理，例如对多个钟表构件和/或多个钟表构件坯件进行渗硼处理。可以理解的是，步骤e)可包括至少一种化学元素例如非金属(例如氮、氩和/或硼)的原子在非磁性铜合金4中进行填隙式扩散。最后，有利地，该方法的压应力结果是提高了抗疲劳性和耐冲击性。
步骤e)还可包括离子注入过程，在其之后可进行或不进行扩散热处理。该变型的优点在于扩散原子的类型不受限并且允许填隙式和替位式扩散两者。
当在步骤e)中实施的处理为离子注入过程时，外表面5的硬化深度可借助于在离子注入处理步骤b)期间或之后执行的热处理而有利地增大。
本发明的方法还可包括沉积除了硬化层以外的其它层的其它步骤。例如，本发明的方法可包括沉积润滑层的步骤。
有利地，当不能存在补充硬化处理时在步骤c1)或b2)之后或者在存在补充硬化处理的情况下在步骤d)或e)之后，可使至少经去屑机加工的部分3经受滚压/抛光操作。因此，本发明的至少部分3的外表面5可出现被滚压的痕迹。该滚压/抛光操作使得部分3尤其是在枢转部的情况下能够获得预期的尺寸和表面状态。与经去屑机加工部分仅经历硬化操作的钟表构件相比，这种后处理滚压操作能够使钟表构件表现出提高了的抗腐蚀性和抗冲击性。
根据本发明的钟表构件可包括根据本发明处理且安装在钟表构件的本体上的经去屑机加工的部分，或者根据本发明的一个方法完全由如上限定的非磁性铜合金制成。此外，步骤d)或e)中的硬化处理可在经去屑机加工的部分的表面上或者在钟表构件的整个表面上执行。
根据本发明的钟表构件可有利地利用由如上限定的非磁性铜合金制成的棒通过棒车削或任何其它去屑机加工工艺制成，所述棒优选具有小于3mm且更优选小于2mm的直径。这种棒当前市场上不存在，必须专门制备，这证明了本领域技术人员将抛弃利用上文所限定的非磁性铜基合金通过棒车削或任何其它去屑机加工工艺(随后可进行滚压)来形成钟表构件的想法。已为本领域技术人员所公知的是，铜合金太软以至于在使用期间无法被滚压和抗磨损。然而，令人惊讶和意外的是，根据本发明的这种材料的使用使得枢转心轴能够承受滚压并且在使用时能够实现较长的寿命。为了实现本发明，本领域技术人员必须克服对使用非磁性铜基合金的偏见，以便借助于包括棒车削(或任何其它去屑机加工方式)和可能的滚压步骤的方法来制造尺寸很小的钟表构件。
出乎意料的是，本发明的方法能够得到这样的钟表构件：其中，至少通过棒车削(或任何其它去屑机加工工艺)与可能的滚压形成的部分利用上文所限定的非磁性铜合金制成。
当然，本发明并不限于所阐述的示例，而是包括对于本领域技术人员来说显而易见的各种变型和改变。尤其是，可设想对整个或几乎整个部分3进行处理，即，对部分3的直径d的80％以上进行处理，虽然这对于钟表构件例如钟表摆轴的应用来说并不需要。
Claims (23)
1.一种钟表枢转心轴(1)，该钟表枢转心轴包括至少一个经去屑机加工的枢转部(3)，其特征在于，所述枢转部由非磁性铜合金制成，以限制其对磁场的敏感性，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
2.根据权利要求1所述的钟表枢转心轴(1)，其特征在于，所述非磁性铜合金包含按重量计含量小于或等于0.02％的铅。
3.根据权利要求1所述的钟表枢转心轴(1)，其特征在于，至少经去屑机加工的所述枢转部(3)包括沉积在所述枢转部(3)的外表面上的硬化层。
4.根据权利要求1所述的钟表枢转心轴(1)，其特征在于，至少经去屑机加工的所述枢转部(3)的外表面(5)相对于所述钟表枢转心轴(1)的芯部被深硬化至预定深度。
5.根据权利要求4所述的钟表枢转心轴(1)，其特征在于，所述预定深度为经去屑机加工的所述枢转部(3)的总直径d的5％到40％之间。
6.根据权利要求4所述的钟表枢转心轴(1)，其特征在于，经深硬化的外表面(5)包括至少一种化学元素的扩散原子。
7.一种钟表机芯，其特征在于，该钟表机芯包括这样的钟表枢转心轴(1)：其包括至少一个经去屑机加工的枢转部(3)，其中，所述枢转部由非磁性铜合金制成，以限制其对磁场的敏感性，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu。
8.一种用于制造用于钟表机芯的钟表枢转心轴(1)的方法，该方法包括如下步骤：
a1)取能够进行去屑机加工的元件，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu，
b1)形成钟表枢转心轴(1)，
c1)对所述钟表枢转心轴进行去屑机加工以形成所述钟表枢转心轴(1)的经去屑机加工且由所述非磁性铜合金制成的至少一个枢转部(3)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法包括：至少在经去屑机加工的所述枢转部(3)的外表面(5)上沉积硬化层的步骤d)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法包括：至少在经去屑机加工的所述枢转部(3)的外表面(5)中使原子扩散至预定深度的步骤e)，以在主要应力区域对所述钟表枢转心轴(1)进行深硬化，同时保持高韧性。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预定深度为经去屑机加工的所述枢转部(3)的总直径d的5％到40％之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，扩散步骤包括至少一种化学元素的原子扩散。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤e)包括热化学扩散处理。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤e)包括离子注入过程，在该离子注入过程之后进行或不进行扩散处理。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤c1)或b2)之后或者在步骤d)或e)之后使经去屑机加工的所述枢转部(3)经受滚压/抛光步骤。
16.一种用于制造用于钟表机芯的钟表枢转心轴(1)的方法，该方法包括如下步骤：
a2)取能够进行去屑机加工的元件，所述元件由非磁性铜合金制成，所述非磁性铜合金包含按重量计10％到20％的Ni、6％到12％的Sn、X％的附加元素，其中X介于0到5之间，并且剩余物为Cu；
b2)对所述元件进行去屑机加工以形成所述钟表枢转心轴(1)的至少一个枢转部(3)；
c2)形成包括在步骤b2)中获得的所述枢转部(3)的钟表枢转心轴(1)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括：至少在经去屑机加工的所述枢转部(3)的外表面(5)上沉积硬化层的步骤d)。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括：至少在经去屑机加工的所述枢转部(3)的外表面(5)中使原子扩散至预定深度的步骤e)，以在主要应力区域对所述钟表枢转心轴(1)进行深硬化，同时保持高韧性。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述预定深度为经去屑机加工的所述枢转部(3)的总直径d的5％到40％之间。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，扩散步骤包括至少一种化学元素的原子扩散。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤e)包括热化学扩散处理。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤e)包括离子注入过程，在该离子注入过程之后进行或不进行扩散处理。
23.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在步骤c1)或b2)之后或者在步骤d)或e)之后使经去屑机加工的所述枢转部(3)经受滚压/抛光步骤。
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