CN110792483A - 内燃发动机的经涂覆的气门座区域 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机的汽缸盖，其由基底材料(13)构成，该汽缸盖具有至少一个经涂覆的气门座区域(6)，其中，该至少一个经涂覆的气门座区域(6)通过局部热沉积焊接方法形成。提出该至少一个经涂覆的气门座区域(6)具有至少一个第一层(7)并且优选具有第二层(8)，其中，该第二层(8)布置在第一层(7)上，并且第一层(7)和第二层(8)是不同的，并且其中，第一层(7)和第二层(8)分别通过局部热沉积焊接方法形成。因此，在内燃发动机的汽缸盖中，通过在一个方法步骤中借助于激光沉积焊接方法在气门座的基底材料(13)上淀积第一层(7)并且在随后的方法步骤中借助于激光沉积焊接方法在第一层(7)上淀积第二层(8)来形成作为气门座区域(6)的经涂覆的表面区域(6)，其中第二层包含具有材料硬化作用的材料。

Description

内燃发动机的经涂覆的气门座区域

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机的汽缸盖，其由基底材料构成，该汽缸盖具有至少一个经涂覆的气门座，其中，该至少一个经涂覆的气门座区域通过局域热沉积焊接方法形成。

背景技术

在一些技术装置的情况下，表面的部分必须具有特定的硬度。这是由于这一事实，例如两个机器部分在该区域中彼此滑过(例如轴承)，或者两个机器部分必须重复地接触，然后由于它们的功能而再次彼此远离。最后提到的“重复地彼此接触”也可以导致当速度相对高时两个部分之间的重复碰撞。容易理解的是，在这种情况下，有关的部件区域必须特别硬地制成，以确保不会发生过早磨损。

原则上，当然，可以由特别硬的材料制造整个工件或用特别硬的层(基本上)完全涂覆工件。尽管从技术的观点来看这代表了可行的选择，但是由于相关的成本，这种方法在经济上通常几乎不可行。

所提及的主题领域的一个例子是机动车辆中的内燃发动机。在这种情况下，可以特别提到发动机燃烧室的进气门和排气门的气门座。由于这种内燃发动机以相对高的速度运行，所以气门必须相应地快速打开和关闭，因此气门和相关的气门座之间的碰撞是不可避免的。

此外，从环境的观点来看，对内燃发动机的气门座的要求越来越高。这是由于这样的事实，即由于与环境相联系的原因，要求燃料应当包含越来越少的添加剂或越来越少的合适的添加剂，这对于气门和气门座之间的碰撞是有帮助的。尽管在几十年前在机动车辆部门中使用含铅汽油，但现在仅能困难地获得这种燃料(如果有的话)或必须由操作者添加有关的添加剂。

另外，该问题由于假定增加使用醇基燃料或假定燃料的醇含量增加的事实而更加严重。这具有的效果是，用于足够硬的气门座形成的许多技术导致问题日益增加。

发明内容

为了解决该问题，例如已经提出了在气门座的区域中的汽缸盖中铣出凹槽。然后将由特别耐用的金属材料构成的金属环插入到凹槽中。这个过程提供了相当实际的结果。然而，相对高的制造费用是有问题的。特别地，已经证明确保环永久地牢固地安置在所提供的凹槽中是有问题的。这在现有技术中通常通过将待使用的金属环暴露于低温(例如液氮)并在冷状态下将该环插入凹槽中来实现。由于热膨胀，它在室温下，尤其是在发动机的工作温度下，牢固地卡在凹槽中。这种技术的一个日益增加的问题是，随着时间的推移，由于腐蚀现象(材料的点蚀)，材料从环或沿着槽损失，并且环可能在某个时间点变松。这对于醇(甲醇或乙醇)或含醇燃料尤其是一个问题。

另一提案是在气门座的区域中沉积特别耐用的材料的薄层。为此，通常的做法是使用局部有限的热能量输入，例如通过激光束。相应的层和涂覆方法例如公开在US 7,431,881 B2或US 2016/0311071 A1中。尽管通过激光束的局部熔化涂覆的沉积(也称为激光覆层)需要一定的费用，但主要的优点在于，与在凹槽中插入材料环的情况不同，材料层是冶金结合的，因此在一定程度上是“被束缚的”。然而，一个显著的问题是，对于激光熔覆方法，所形成的层在相对大的程度上取决于实际工件的材料。可用于涂覆的材料的自由度相应地受到限制。

因此，本发明的目的是提出一种内燃发动机的汽缸盖，其由基底材料构成，该汽缸盖具有经涂覆的气门座，该经涂覆的气门座比现有技术中已知的相同类型的气门座有所改进。本发明的另一个目的是提出一种用于在内燃发动机的汽缸盖上形成经涂覆的气门座区域的方法，该方法相对于现有技术中已知的类似方法进行了改进。

根据本发明，该目的通过具有根据权利要求1的特征的具有气门座的内燃发动机的汽缸盖来实现。

应当注意，在以下描述中单独呈现的特征和措施可以以任何技术上可行的方式组合，从而产生本发明的进一步实施例。该描述另外特别结合附图来表征和说明本发明。

本发明提出一种由基底材料构成的汽缸盖，该汽缸盖具有至少一个经涂覆的气门座。该至少一个经涂覆的气门座通过局部热沉积焊接方法形成。此外，至少一个经涂覆的气门座，其也可以称为表面区域，具有至少一个第一层，但优选地还另外具有第二层。在这种情况下，第二层布置在第一层上，其中第一层和第二层优选地不同。第一层和优选附加沉积的第二层分别通过局部热沉积焊接方法形成。在两层涂覆的情况下，至少在某些区域提供了两个不同的层，一个位于另一个之上。这使得可以在不损坏的情况下实现相对大的材料差异，尤其是在基底材料和第二层之间的材料差异。一方面，这是由于插入的第一层，每单位长度的材料中发生较少的变化。此外，第一层也可以用作一种缓冲层，从而使得在基底材料和第二层中本身(至少在一定程度上)不相容的材料仍然能够借助于插入的第一层接合在一起，即“间接地”接合在一起。

“层”(特别是第一层和/或第二层)通常是指材料区域，其沿着表面的范围明显大于其厚度。举一个典型的尺寸比：1cm²和以上区域的表面积通常与1mm或更小的厚度结合(对于单个层)。此外，第一层和第二层在面积方面具有相似的程度不是绝对必要的。相反，第二层可以具有比第一层的面积小的面积。因此，在一定程度上可以提供一种安全余量，以便能够以特别有效的方式防止基底材料和第二层材料之间的材料不相容性。然而，另外地或作为替代地，第二层也可以延伸到第一层的区域之外(在一些区域或多个区域中)，从而允许第二层和基底材料之间直接材料接触。这不一定是不利的。相反，例如，由于与强度有关的原因或由于其它原因，这种接触甚至可能是有利的。

在提及第一层和第二层不同的事实的情况下，这尤其涉及有关的层的材料。特别地，在一层中存在至少部分不同的材料，或者在合金或材料混合物的情况下，存在不存在于另一层中的材料组分，反之亦然。然而，另外地或作为替代地，尽管在第一层和第二层中基本上存在相同的材料，但第一层和第二层之间的材料成分的含量不同也是可能的。此外，作为补充或替代，材料特性也可以不同，也就是说，例如，所包含的材料的晶粒尺寸不同，晶体结构不同等(特别是部分地)。尽管在当前情况下所指的是第一层和第二层之间的差异，但是在基底材料和第一层之间或者在基底材料和第二层之间可以至少类似地出现相同的差异。

局部热沉积焊接方法尤其应当理解为一种方法，其中通过合适的方法实现局部非常有限的(典型地以点/点的方式)显著的温度增加。特别地，局部有限的热能量输入导致局部非常有限的区域中的局部热软化和/或局部熔化。

至少一种热沉积焊接方法是激光沉积焊接方法是有利的。这种激光沉积焊接法(激光熔覆法)在现有技术中是基本已知的，并且也已证明在连续生产中是可行的。由于这些方法获得的经验，这些方法可以安全地进行。在至少一种热沉积焊接方法的情况下，待供给的材料以粉末形式和/或以丝的形式供给也是有利的。以这种方式进给材料的一个优点在于，即使在实际的沉积焊接方法期间，待进给的材料也可以以相对简单的方式进给，并且仍然可以以可变的方式进给。

此外，用于第一层的局部热沉积焊接方法应该与用于第二层的局部热沉积焊接方法相同，尽管这当然是可能的或优选的，这不是必须的。

基底材料包括铝或铝合金是更有利的。特别地，这可以是具有一定含量的硅的铝合金。该材料结合了相对高的强度和良好的使用寿命、良好的机械加工性以及尤其是还具有低的重量。在汽车制造业中，这里特别注意的是，使用发动机，特别是内燃发动机。在具有一定含量的硅的铝合金的情况下，这可以是，尤其是，硅的含量在6％和12％之间的范围内，尤其是在7％和10％之间，优选在8％和9％之间，最优选为9％。

此外提出，第一层的材料基于基底材料，但具有改变的材料重量。特别地，第一层的材料可以是具有增加含量的硅的铝合金。这里，该改变特别是指与基底材料的比较，但是，在适当的情况下，它还可以另外或替代地是指与第二层的比较。材料的重量尤其应该理解为，在基底材料和第一层(如果需要，另外和/或可选地，第二层)的材料或材料混合物中使用的物质的数量含量、体积含量或重量含量被改变。一方面，这可能是由于在没有添加额外的材料或没有继续添加材料的情况下，含量发生变化的事实。然而，同样可能的是，改变的含量由添加或不再添加另外的物质的事实产生。“基于基底材料”尤其应当理解为，材料重量的改变在相对窄的范围内、典型地在几个百分点的范围内(也就是说，尤其是小于或等于1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个百分点)进行。在具有增加的硅含量的铝合金的情况下，硅含量可以特别地在10％和15％之间，优选在11％和14％之间，特别优选在13％和14％之间，最优选为12％。

此外提出，在气门座区域中，第二层的材料基于第一层的材料，但是具有改变的材料重量，其中，尤其是第二层的材料包含一种发挥材料硬化作用的材料。由此，能够以简单的方式提高工件在高负荷下的使用寿命。发挥材料硬化作用的材料优选是碳化物材料组分(特别是碳化铌、碳化硼、碳化硅、碳化钒、碳化钨、熔融碳化钨、球化的熔融碳化钨和一碳化钨或WC/Co或WC/Ni基硬质金属复合物)。在这种情况下，如上所述，第二层的材料基于第一层的材料，因此通常也间接地位于基底材料上。在此，在第二层中硅含量提高的铝合金的情况下，硅含量尤其可以在40％和50％之间，优选在41％和48％之间，最优选为42％，其中，混合有发挥材料硬化作用的材料。也可以将产生材料硬化作用的材料混入第一层中，在这种情况下可以省去第二层的沉积。然而，如果第一层包含发挥材料硬化作用的材料，则第二层的沉积也是可能的。

此外提出，第一层和/或第二层具有200μm至1000μm、优选300μm至800μm、特别优选400μm至600μm、最优选为500μm的材料厚度。第一层和第二层的这种层厚度在初始试验中都被证明是特别有利的。通常，第一层和第二层的所选材料厚度大致相等。然而，同样可以选择不同的材料厚度。这不仅可以应用于第一层和第二层的单个涂覆表面区域的情况，而且特别地，还可以应用于两个不同表面区域彼此的比率。

第一层被设计为在基底材料和第二层之间的粘附促进层是特别有益的。在这种情况下，第二层可以在其作为“硬层”的功能方面在特别大的程度上被优化，而不必过分注意在基底材料上的良好粘附效果(或任何其它材料不相容性)。相反，第一层以这样的方式选择，即它相对于基底材料和相对于第二层具有尽可能高的粘附效果，特别是类似高的粘附效果。

因此，提出在气门座的区域中提供至少一个经涂覆的表面区域。通过这种应用，所提出的涂覆可以以特殊的方式发挥其性能和优点。这样，本发明提供了一种内燃发动机的汽缸盖，其由具有至少一个经涂覆的气门座的该基底材料构成，该经涂覆的气门座具有380-520HV0.3的硬度，并且没有裂纹和附着缺陷。

特别地，内燃发动机可以是用于机动车辆的内燃发动机。

此外，提出了一种用于在内燃发动机上形成涂覆的表面区域，即气门座区域的方法，其中，在一个方法步骤中借助于局部热沉积焊接方法在待涂覆的表面区域的区域中沉积第一层，并且在随后的方法步骤中优选地在第一层的至少一个部分区域中借助于局部热沉积焊接方法沉积第二层。关于定义，这里也特别注意上述描述。当然，在沉积第一层之前准备基底材料，也就是说优选地准备待涂覆的表面区域，即气门座区域，并且这可以通过适当的措施来实现。优选地，通过机械加工成形在气门座区域中产生平坦表面。在沉积一层或优选沉积两层之后，优选例如通过研磨精加工气门座。

所提出的方法(既“单独”也与适当的改进一起)于是可以具有上述优点和特征，至少以类似的方式。当然，根据上述提案的改进至少可以是类似的，并且通常是有利的。

在此，热沉积焊接方法的两个方法步骤可以以更长或更短的时间间隔进行。通常，当第一层再次基本上达到固态聚集状态时执行第二方法步骤是足够的。由于残余加热而产生的一定残余延展性在此不一定有害。同样也可以在第二方法步骤之前等待，直到工件的温度已经大幅下降/基本上下降到室温，至少在待涂覆的表面区域的区域中(尽管例如50℃或更低的残余温度通常也是可能的)。

附图说明

在从属权利要求和附图的以下描述中公开了本发明的其它有利实施例。附图中：

图1以一段的示意性截面图示出了汽缸盖的气门区域，以及

图2a和2b以示意图的方式示出了通过激光熔覆方法形成一个位于另一个顶部的两个层的方法。

具体实施方式

在各个附图中，相似的部分具有相同的附图标记，因此这些部分也通常仅被描述一次。

在图1中，示出了汽缸盖1的气门区域2，仅示出了其一部分。对于本说明书来说，气门3是进气门还是排气门是不重要的。如传统的，气门3具有气门盖4和气门杆5。气门3通过气门杆5例如借助于凸轮轴(未示出)驱动。这具有的效果是，气门盖4暂时处于图1所示的气门3的打开位置，在该位置，气门盖4从气门座区域6升起。然后，气门3打开，气体可以流过气门盖4和气门座区域6之间的间隙。如果气门3向下移动，则气门盖4与气门座区域6接触，使得任何更多的气体不可能在气门盖4与气门座区域6之间流过；气门3关闭。

在现代内燃发动机中，这种发动机的高速意味着气门3必须以与其对应的方式快速打开和关闭。这又具有如下效果，即在内燃发动机的使用寿命期间，气门盖4在气门座区域6上产生非常大量的硬碰撞。

为了能够实现对于内燃发动机足够的使用寿命，因此需要使用足够耐用的材料。对于气门3本身而言，由于其体积小，气门3(基本上)完全由特别硬的材料制造是相对没有问题的。

对于汽缸盖1而言，尽管原则上可以由硬质材料制造整个汽缸盖1，但出于经济原因这几乎不可行。当然，这意味着必须制造由昂贵的硬质材料构成的非常大量的材料，以确保在相对小的气门座区域6(以及在适用的情况下，其它气门座区域、用于曲轴等的轴承区域等)中具有足够的硬度。此外，经济问题不仅在汽缸盖1必须由相对昂贵的材料制造的事实方面出现。相反，由此汽缸盖1明显较重以及此外其加工必然变得更昂贵的事实方面也出现问题，这同样是不利的。

在汽缸盖1的情况下，因此必须求助于仅在气门座区域6中提供硬质材料的替代方案。就面积而言，该区域通常以这样的方式选择，即其对应于与气门盖4的接触表面(或提供小的安全裕度)。为此，在现有技术中已知各种方法，例如使用气门座环或在汽缸盖1上提供硬化的表面区域。

在这种情况下，提出汽缸盖1的气门座区域6提供两个不同的材料层7、8，即第一材料层7和第二材料层8。因此，气门座区域6在此也称为涂覆表面区域6。第一材料层7直接布置在汽缸盖1的基底材料13上。第二材料层8位于第一材料层7上。因此，第一材料层7以位于汽缸盖1的基底材料13和第二材料层8之间的方式布置。

第二材料层8位于一侧，与第一材料层7接触；背对的表面形成与气门盖4的与其对应的表面区域的接触表面。

材料层7、8通过在技术术语中称为“激光熔覆”的方法沉积(也参见图2a和2b和相关描述)。由于所涉及的工艺，该沉积焊接方法导致在汽缸盖1的基底材料13和第一材料层7的材料之间以及在第一材料层7的材料和第二材料层8的材料之间的某些过渡区域15、16，尽管为了清楚起见这些区域在图1中未示出。然而，它们在图2a和2b中示意性地示出，下面将给出其更具体的细节。

图1所示的布置的优点在于，借助于第一材料层7，第二材料层8可以更好地优化其作为特别硬的层的功能。

在此提出，在第二材料层8中设置碳化物(尤其也是颗粒形式的碳化物)，以便确保第二材料层8的特别高的抗碰撞性。由于第一材料层7在一定程度上用作第二材料层8和材料块1之间的过渡层或粘附促进层，因此在第二材料层8的材料和汽缸盖1的基底材料13(如果有的话)之间存在较少或较少的明显的材料不相容性。

第一材料层被优化以良好地粘附到材料块1的基底材料13和第二材料层8的材料，也就是说，其可以被称为粘附促进层。即使第一材料层7具有一定的硬度(特别是相对于汽缸盖1的基底材料13增加的硬度)是不利的，但这不是绝对必要的，因为硬度功能当然由第二材料层8提供。

在当前情况下，汽缸盖1的基底材料13是含有约9％硅的铝合金。第一材料层7的材料是基本上含有12％硅的铝合金。因此，与汽缸盖1的基底材料13相比，第一材料层7已经具有增加的硬度。第二材料层8又由同样具有基本上12％的硅含量的铝合金构成，但是在用作固定基底的铝合金中还包括碳化物颗粒，特别是碳化铌、碳化硼、碳化硅、碳化钒、碳化钨、熔融碳化钨、球化的熔融碳化钨和一碳化钨或WC/Co-和WC/Ni-基硬质金属复合物，其中碳化物颗粒不倾向于溶解在铝熔体中形成脆化的碳化铝。这些颗粒显著增加了第二材料层8的硬度。

图2a和2b示意性地示出了汽缸盖1的气门座区域6如何以两个连续的工艺步骤(图2a和图2b)的形式形成。纯粹为了完整性，注意到以下事实，即工艺步骤当然也可用于其它表面区域和/或其它工件，其中在沉积第一层之前进行基底材料的制备。

图2a示意性地示出了在激光沉积焊接方法(称为“激光熔覆方法”)的过程中第一材料层7的材料的沉积。加工盖9用于实施激光熔覆方法。加工盖9具有多个在当前情况下基本上彼此同心设置的排出孔，即，保护气体也通过其给进的激光束10的排出孔和一个或多个用于粉末流11的环形排出孔，必要时还有一个或多个用于以包围气流的形式给进的保护气体12的排出孔。

激光束10用于通过适当的能量输入来点熔基底材料13(图2a中)。纯粹为了完整性，注意到以下事实，即，需要加工盖9的典型振荡和/或交替运动以形成延伸材料层7、8。此外，在当前情况下以粉末颗粒11的形式供给的材料通过激光束10熔化(然而，以一些其它方式例如以线的形式供给同样可以作为补充或作为替代)。

因此，局部地形成熔池14，该熔池部分地由基底材料13和部分地由粉末流11的材料组成(精确的含量特别地取决于粉末流11的材料组成和粉末流11的供给速率)。然而，显然，由于所选择的方法，不可能沉积与基底材料13完全不同的材料作为第一材料层7。这是该方法中固有的，但不一定是不利的。为了防止在熔池14中发生氧化反应，经由加工盖9的另一排出口供入保护气体12，其中保护气体12是惰性气体(例如氩气)。

一旦熔池14再次冷却(由于加工盖9的向前移动)，形成第一固体材料层7，该层具有与基底材料13不同的材料成分。为了完整起见，注意到由于该方法，没有获得具有在层内完全均匀的材料组成的第一材料层7。相反，在图2a中示意性示出的第一过渡层15形成在第一材料层7和基底材料13之间。然而，注意到第一过渡层15未按含量绘制(通常，其明显更薄)的事实。此外，第一过渡层15同样不是固有均匀层；相反，在附图中，这表示在基底材料13和第一材料层7的材料之间的“连续材料过渡”。

一旦通过加工盖9的相应移动完全形成第一材料层7，就开始根据图2b的第二材料层8的沉积。为此，作为一种替代方案，可以使用相同的加工盖9，其中粉末流11通常由具有与图2a相比已改变的材料成分的粉末流代替。然而，同样可以为此目的使用单独的加工盖，但是该盖通常具有基本上类似的结构。单独的加工盖也可以跟随第一个加工盖，因此可以连续沉积两个层。

如图2b所示，同样通过激光熔覆方法在第一材料层7上形成第二材料层8。这里同样，以类似于图2a所示的第一方法步骤的方式，在第一材料层7和第二材料层8之间形成第二过渡层16。避免重复，注意上面已经描述的内容，尤其是关于执行根据图2a的方法已经描述的内容。附图标记列表：

1.汽缸盖

2.气门区域

3.气门

4.气门盖

5.气门杆

6.气门座区域

7.第一材料层

8.第二材料层

9.加工盖

10.激光束

11.粉末流

12.保护气体

13.基底材料

14.熔池

15.第一过渡层

16.第二过渡层

Claims (10)

1.一种内燃发动机的汽缸盖，其由基底材料(13)构成，所述汽缸盖具有至少一个经涂覆的气门座区域(6)，其中，所述至少一个经涂覆的气门座区域(6)通过局部热沉积焊接方法形成，

其特征在于，

所述至少一个经涂覆的气门座区域(6)具有至少一个第一层(7)并且优选具有第二层(8)，其中，所述第二层(8)布置在所述第一层(7)上，并且所述第一层(7)和所述第二层(8)是不同的，其中，所述第二层具有发挥材料硬化作用的材料，并且其中，所述第一层(7)和所述第二层(8)分别借助于局部热沉积焊接方法形成。

2.如权利要求1所述的汽缸盖，

其特征在于，至少一种所述热沉积焊接方法是激光沉积焊接方法，和/或其中，在至少一种所述热沉积焊接方法的情况下，待给进的材料以粉末形式(11)和/或丝的形式给进。

3.如权利要求1或2所述的汽缸盖，

其特征在于，所述基底材料(13)包括铝或铝合金，特别是含有一定含量硅的铝合金。

4.如前述权利要求中任一项所述的汽缸盖，

其特征在于，所述第一层(7)的材料基于所述基底材料(13)，但具有改进的材料重量，优选是具有增加的硅含量的铝合金。

5.如前述权利要求中任一项所述的汽缸盖，

其特征在于，所述第二层(8)的材料基于所述第一层(7)的材料，但具有改变的材料重量，并且特别地包含发挥材料硬化作用的材料，优选包含碳化铌、碳化硼、碳化硅、碳化钒、碳化钨、熔融碳化钨、球化的熔融碳化钨和一碳化钨或WC/Co或WC/Ni基硬质金属复合物的材料。

6.如前述权利要求中任一项所述的汽缸盖，

其特征在于，所述第一层(7)和/或所述第二层(8)的材料厚度为200μm至1000μm之间，优选300μm至800μm之间，特别优选400μm至600μm之间，最优选500μm。

7.如前述权利要求中任一项所述的汽缸盖，

其特征在于，所述第一层(7)设计为在所述基底材料(13)和所述第二层(8)之间的粘附促进层。

8.一种用于形成特别是如前述权利要求中任一项所述的内燃发动机汽缸盖的经涂覆的气门座区域(6)的方法，其中，所述至少一个经涂覆的气门座区域(6)通过局部热沉积焊接方法形成，

其特征在于，在一个方法步骤中通过局部热沉积焊接方法沉积第一层(7)，并且在随后的方法步骤中，优选地通过局部热沉积焊接方法在所述第一层(7)的至少一个局部区域中沉积包含发挥材料硬化作用的材料的第二层(8)。

9.如权利要求8所述的方法，

其特征在于，所述第一层(7)由相对于所述基底材料(13)具有增加的硅含量的铝合金形成。

10.如权利要求8或9所述的方法，

其特征在于，所述第二层(8)由相对于所述基底材料(13)具有增加的硅含量的铝合金形成，并且尤其包含发挥材料硬化作用的材料，优选包含碳化铌、碳化硼、碳化硅、碳化钒、碳化钨、熔融碳化钨、球化碳化钨和一碳化钨或WC/Co或WC/Ni基硬质金属复合物的材料。

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