CN111479940A - 铝合金基复合材料的制造方法及铝合金基复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够均匀地浸入铝合金的铝合金基复合材料的制造方法。本发明提供铝合金基复合材料的制造方法和铝合金基复合材料，其特征在于，前述铝合金基复合材料在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末，前述制造方法具备如下工序：填充工序，将前述陶瓷粉末填充至由多孔材料形成的多孔容器，利用盖部将前述多孔容器密闭；将前述多孔容器设置在模具内、向前述模具内倒入铝合金的熔融金属的工序；以及，浸入工序，对前述模具内的前述熔融金属施加压力，使前述熔融金属通过前述多孔容器而浸入内部的前述陶瓷粉末。

Description

铝合金基复合材料的制造方法及铝合金基复合材料

技术领域

本发明涉及均匀地分布有加强材料的铝合金基复合材料的制造方法及铝合金基复合材料。

背景技术

迄今，已知在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末的铝合金基复合材料。作为该铝合金基复合材料的制造方法，例如专利文献1中记载了：一种铝合金基复合材料的制造方法，其作为属于加强材料的陶瓷粉末使用硼酸铝的粉末，使铝合金的熔融金属浸入该粉末的填充体。需要说明的是，这种制造方法被称为熔融金属铸造法或高压铸造法。

上述专利文献1记载的制造方法包括如下工序：填充硼酸铝粉末原料而得到填充体的工序；对填充体进行预热的工序；对铝合金进行加热而得到熔融铝合金的工序；以及，使熔融铝合金加压浸透至经预热的填充体中的工序。这种现有的制造方法通过在铁制、SUS制的容器中填充硼酸铝粉末原料等陶瓷粉末来得到填充体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-38172号公报

发明内容

发明要解决的问题

上述现有技术留有以下问题。

即，现有的铝合金基复合材料的制造方法如图14所示，在铁制、SUS制的金属容器103中填充陶瓷粉末102来制成填充体，使铝合金的熔融金属Al1从该金属容器103的上部开口流入来使铝合金浸入陶瓷粉末102的填充体，因此存在如下问题：在铝合金的熔融金属Al1流入的开口部附近与距离开口部远的底部之间，铝合金的浸入率不同，无法均匀地浸入陶瓷粉末102的填充体整体。因此，特别是对于复杂形状、薄板状，难以得到均匀的复合材料。

本发明是鉴于前述问题而做出的，其目的在于提供能够均匀地浸入铝合金的铝合金基复合材料的制造技术。

用于解决问题的方案

本发明为了解决前述问题而采用以下方案。即，第1发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，所述铝合金基复合材料在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末，所述制造方法具有如下工序：填充工序，将前述陶瓷粉末填充至由多孔材料形成的多孔容器，利用盖部将前述多孔容器密闭；将前述多孔容器设置在模具内、向前述模具内倒入铝合金的熔融金属的工序；以及，浸入工序，对前述模具内的前述熔融金属施加压力，使前述熔融金属通过前述多孔容器而浸入内部的前述陶瓷粉末。

该铝合金基复合材料的制造方法由于具有使熔融金属通过多孔容器而浸入内部的陶瓷粉末的浸入工序，因此铝合金的熔融金属经由多孔容器的多孔的材质几乎从全方位均等地流入多孔容器内，可以均匀地浸入陶瓷粉末整体。

第2发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，在第1发明中，前述多孔容器由碳石墨形成。

即，该铝合金基复合材料的制造方法由于多孔容器由碳石墨形成，因此热膨胀系数小于铁制、SUS制的容器，几乎不会发生由热膨胀导致的容器变形，使得复杂形状的容器的使用也成为可能。此外，将在浸入工序后固化的复合材料从多孔容器取出时，由于多孔容器为碳石墨，因此可以容易地将复合材料与多孔容器分离。

第3发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，在第1或第2发明中，在前述填充工序后具有对前述多孔容器进行预热的预热工序。

即，在该铝合金基复合材料的制造方法中，由于在填充工序后具有对多孔容器进行预热的预热工序，因此所填充的陶瓷粉末的颗粒的界面能升高，与铝合金的熔融金属的润湿性改善。尤其，通过由碳石墨形成多孔容器，使得多孔容器的热膨胀系数低，几乎不会发生由预热导致的容器变形。

第4发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，在第1～第3发明中的任一项中，前述陶瓷粉末为硼酸铝的粉末。

即，在该铝合金基复合材料的制造方法中，由于陶瓷粉末为硼酸铝的粉末，因此通过使用硬度较低的硼酸铝的粉末，可以得到加工性优异的复合材料。

第5发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，在第4发明中，作为前述陶瓷粉末，进一步添加有SiC的粉末。

即，在该铝合金基复合材料的制造方法中，由于作为陶瓷粉末，进一步添加有SiC的粉末，因此根据热膨胀系数低于硼酸铝且硬度高的SiC的粉末的添加比例，能够降低整体的热膨胀系数并且提高硬度。

此外，作为SiC的粉末的效果，与硼酸铝的粉末的润湿性良好，与硼酸铝粉末的界面得到改性，可以得到更牢固的结合。

第6发明的铝合金基复合材料的制造方法的特征在于，在第5发明中，在前述填充工序中，按体积比例计，相对于20的前述硼酸铝的粉末，以0.5～2.0的比例混合前述SiC的粉末。

即，在该铝合金基复合材料的制造方法中，由于在填充工序中，按体积比例计，相对于20的硼酸铝的粉末，以0.5～2.0的比例混合SiC的粉末，因此可以得到兼顾了整体的热膨胀系数的降低和良好的加工性的复合材料。

需要说明的是，按体积比例计，相对于20的硼酸铝的粉末，如果SiC的粉末的比例小于0.5，则无法充分获得热膨胀系数的降低效果，并且，如果SiC的粉末的比例超过1.5，则整体的硬度过度升高，加工性会变差。

第7发明的铝合金基复合材料的特征在于，其在铝合金基体中均匀地分散、分布作为加强材料的陶瓷粉末而成，在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末，由第1～第6发明中的任一项所述的铝合金基复合材料的制造方法得到。

发明的效果

根据本发明，发挥以下的效果。

即，根据本发明的铝合金基复合材料的制造方法，由于具有使熔融金属通过多孔容器而浸入内部的陶瓷粉末的浸入工序，因此铝合金的熔融金属经由多孔容器的多孔的材质几乎从全方位均等地流入多孔容器内，可以均匀地浸入陶瓷粉末整体。

因此，本发明的制造方法可以得到在整体上具有均匀的热膨胀系数、硬度的铝合金基复合材料，并且可以得到复杂形状、薄板状的均匀的铝合金基复合材料。

由该本发明的制造方法制作的铝合金基复合材料由于轻量且具有高杨氏模量、高振动衰减率、高导热性和高耐磨性，因此适宜作为焊接机等的X-Y工作台、半导体制造装置等中使用的机械臂、贴片机、空气压缩机用涡管部件等的材料。

附图说明

图1是示出本发明的铝合金基复合材料的制造方法的一个实施方式中填充有陶瓷粉末并用盖部进行密封前的多孔容器的立体图。

图2是示出本实施方式中长方体形状(a)和圆筒形状(b)的多孔容器的立体分解图。

图3是按工序顺序示出本实施方式中从倒入熔融金属的工序到脱模(knock out)工序为止的简易的剖视图。

图4是按工序顺序示出本实施方式中脱模工序后的工序的立体图。

图5是示出在现有例的铝合金基复合材料的制造方法中作为陶瓷粉末使用硼酸铝所得到的铝合金基复合材料的SEM图像。

图6是将图5的图像进一步放大的SEM图像。

图7是示出本发明的铝合金基复合材料的制造方法的实施例中作为陶瓷粉末使用硼酸铝所得到的铝合金基复合材料的SEM图像。

图8是将图7的图像进一步放大的SEM图像。

图9是示出本发明的铝合金基复合材料的制造方法的实施例中作为陶瓷粉末使用硼酸铝与SiC的混合粉末所得到的铝合金基复合材料的SEM图像。

图10是将图9的图像进一步放大的SEM图像。

图11是示出铝的阻尼振动特性的图表。

图12是示出在现有例的铝合金基复合材料的制造方法中作为陶瓷粉末使用硼酸铝所得到的铝合金基复合材料的阻尼振动特性的图表。

图13是示出本发明的铝合金基复合材料的制造方法的实施例中作为陶瓷粉末使用硼酸铝所得到的铝合金基复合材料的阻尼振动特性的图表。

图14的(a)是示出现有例的铝合金基复合材料的制造方法中的填充有陶瓷粉末的容器的剖视图，图14的(b)是示出铝合金的熔融金属浸入工序的剖视图。

具体实施方式

以下，边参照图1～图6，边对本发明的铝合金基复合材料的制造方法的一个实施方式进行说明。

本实施方式的铝合金基复合材料的制造方法如图1～图3所示，为在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末2的铝合金基复合材料1的制造方法，具有如下工序：填充工序，将陶瓷粉末2填充至由多孔材料形成的多孔容器3；将多孔容器3设置在模具4内、向模具4内倒入铝合金的熔融金属Al1的工序；以及，浸入工序，对模具4内的熔融金属Al1施加压力，使熔融金属Al1通过多孔容器3浸入而内部的陶瓷粉末2。

此外，本实施方式的制造方法在上述填充工序后具有对多孔容器3进行预热的预热工序。

上述多孔容器3由即使倒入铝合金的熔融金属Al1也不会熔解的、具有无数个连通孔的多孔(开孔)的材料形成。特别优选由碳石墨形成多孔容器3。

上述陶瓷粉末2例如可使用硼酸铝(9Al₂O₃·2B₂O₃)的粉末。

此外，要想得到热膨胀系数低于硼酸铝且硬度高的复合材，作为陶瓷粉末2，进一步添加SiC(碳化硅)的粉末。

该情况下，优选的是，在填充工序中，按体积比例计，相对于20的硼酸铝的粉末，以0.5～2.0的比例混合SiC的粉末。

关于本实施方式的制造方法，对使用碳石墨的多孔容器3、作为陶瓷粉末2使用硼酸铝与SiC的混合粉末的情况进行更详细的说明。首先，准备规定的陶瓷粉末2，如图1所示，填充到碳石墨的多孔容器3内。需要说明的是，在将硼酸铝与SiC的混合粉末作为陶瓷粉末2的情况下，预先按规定的比例将两种粉末混合，并且利用旋转混合机等将彼此充分搅拌混合均匀。

作为可以在本实施方式的制造方法中利用的铝合金，例如可以采用合金编号A1050、A5052、A6061、A7075、AC4C、AC8A、ADC12等，也可以采用其他种类。尤其，作为物性良好、不易发生浸入不良的合金，高导热率且高强度的AC4C、AC8A等对于铝合金是优选的。这种合金的化学组成的体积率为Si：6～13％、Mg：0.2～1.3％、Al：余量的铝合金。

需要说明的是，如果上述Si的含有率少，则在高压浸入时容易发生浸入不良，因此所含有的Si优选设定为体积率6～12％的范围。即，这是由于，如果Si的体积率小于6％，则熔液的流动变差，铝合金的熔融金属难以渗透至作为加强材料的陶瓷粉末2间。

此外，作为陶瓷粉末2所利用的硼酸铝的粉末，例如采用中心粒径30～50μm左右的粉末，作为SiC的粉末，例如采用中心粒径2～4μm的粉末。

作为上述多孔容器3，可以采用使用开孔的碳石墨块的各种形状的容器。例如，可以采用如图2的(a)所示的由箱形的主体3a和盖部3b构成的长方体形状的容器3，也可以采用如图2的(b)所示的由有底圆筒形状的主体23a和盖部23b构成的容器23。

作为多孔容器3的孔直径，理想的是10μm以下。需要说明的是，由于多孔容器3的孔的流路复杂，因此粒径小于孔直径的SiC粉不会经由孔的流路流出到外部。

在将陶瓷粉末2填充到多孔容器3内的情况下，通过一边利用振动器等对多孔容器3施加振动一边填充，可以以不易产生间隙的状态进行填充。

在填充后，在由盖部3b密闭的状态下将多孔容器3整个放入预热炉(马弗炉等)，在例如500～700℃下进行预热。该预热工序是用于提高陶瓷粉末2的界面能、改善与铝合金的熔融金属的润湿性的工序。

在此，现有的铁制、SUS制的容器由于平均热膨胀系数为14～17ppm/k，因此存在预热时会发生容器的膨胀变形这一问题。特别是容器形状越复杂，考虑到热膨胀的设计会越困难。与此相对，本实施方式的使用碳石墨块的多孔容器3由于平均热膨胀系数为5～7ppm/k左右，因此具有几乎不会发生由预热时的热膨胀导致的容器的变形这一优点。

接着，如图3的(a)所示，将经预热的填充有陶瓷粉末2的多孔容器3设置在预先预热至200～250℃的模具4内，将铝合金的熔融金属Al1倒入模具4内。

此时，为了使熔融金属Al1流至多孔容器3的底部下方，可以在模具4的底部设置多个凸部、在多个凸部上放置多孔容器3。该情况下，可以以多孔容器3从模具4的底部悬空的状态设置，可以使熔融金属Al1迂回流至多孔容器3的底部下方。由此，可以使熔融金属Al1从多孔容器3的全方位浸透到内部。

将定量的铝合金的熔融金属Al1倒入模具4内后，如图3的(b)所示，利用压机5的冲头5a对铝合金的熔融金属Al1加压80～140MPa。

此时，利用加压能量，使铝合金的熔融金属Al1浸入至多孔容器3，并进一步浸入至多孔容器3内的陶瓷粉末2。

用压机5持续加压，直至该铝合金的熔融金属Al1完全凝固。

如果该铝合金的熔融金属Al1的浸入速度(流速)快，则会产生紊流，使陶瓷粉末2移动、陶瓷粉末2的分布不均，并且会发生被称为metal vein的铝的插入，因此以不产生紊流的方式将浸入速度设定为低速。因此，基于压机5的加压压力和加压速度根据多孔容器3内的陶瓷粉末2的体积率、形状来调节。

接着，在结束上述浸入、温度降低至200～300℃左右时，如图3的(c)所示，通过模具4内的脱模件6，将由多孔容器3、其内部的铝合金基复合材料1以及固化的铝合金的余料部Al2构成的一体成型物7从模具4取出。

进而，如图4的(a)所示，对于所取出的一体成型物7，利用带锯等例如沿切割线C将一体成型物7切断，将余料部Al2去除，由此，如图4的(b)所示，使多孔容器3露出。

接着，如图4的(c)所示，将多孔容器3的盖部3b取下，进而，如图4的(d)所示，将多孔容器3的壁部分和底部分切断并取下，由此将复合材料1取出。所例示的本实施方式由于多孔容器3为碳石墨，因此可以容易地取出复合材料1。

所取出的复合材料1通过铣削、研磨、NC加工等来加工成目标形状。所例示的本实施方式中制作的铝合金基复合材料1是以铝合金作为母材、作为加强材料按体积率计包含硼酸铝30～40％、SiC 1.5～2％的、在铝合金基体中均匀地分散有由硼酸铝的粉末和SiC的粉末形成的陶瓷粉末2的复合材料。

本实施方式的铝合金基复合材料1的制造方法由于具有使熔融金属Al1通过多孔容器3而浸入至内部的陶瓷粉末2的浸入工序，因此铝合金的熔融金属Al1经由多孔容器3的多孔的材质几乎从全方位均等地流入多孔容器3内，可以均匀地浸入陶瓷粉末2整体。

此外，由于多孔容器3由碳石墨形成，因此热膨胀系数要小于铁制、SUS制的容器，几乎不会发生由热膨胀导致的容器变形，使得复杂形状的容器的使用也成为可能。此外，将在浸入工序后经固化的复合材料1从多孔容器3取出时，由于多孔容器3为碳石墨，因此可以容易地将复合材料1与多孔容器3分离。

此外，由于在填充工序后具有对多孔容器3进行预热的预热工序，因此所填充的陶瓷粉末2的颗粒的界面能升高，与铝合金的熔融金属Al1的润湿性改善。尤其，通过由碳石墨形成多孔容器3，使得多孔容器3的热膨胀系数低，几乎不会发生由预热导致的容器变形。

此外，在陶瓷粉末2为硼酸铝的粉末的情况下，通过使用硬度较低的硼酸铝的粉末，可以得到加工性优异的复合材料。

此外，在作为陶瓷粉末2进一步添加SiC的粉末的情况下，根据所组合使用的热膨胀系数低于硼酸铝且硬度高的SiC的粉末的添加比例，能够降低整体的热膨胀系数并且提高硬度。

此外，作为组合使用SiC的粉末的效果，其与硼酸铝的粉末的润湿性良好，与硼酸铝粉末的界面得到改性，可以得到更牢固的结合。

尤其，在填充工序中，通过按体积比例计，相对于20的硼酸铝的粉末，以0.5～2.0的比例混合SiC的粉末，可以得到兼顾了整体的热膨胀系数的降低和良好的加工性的复合材料。

实施例

关于基于上述说明的实施方式的制造方法所实际制作的铝合金基复合材料，将SEM图像示于图7～图10。

图7和图8是作为陶瓷粉末仅使用硼酸铝的铝合金基复合材料的SEM图像。此外，图9和图10是作为陶瓷粉末使用硼酸铝与SiC的混合粉末的铝合金基复合材料的SEM图像。需要说明的是，在任一情况下均使用合金编号AC4C的铝合金。

此外，关于基于图14所示的现有的制造方法所制作的铝合金基复合材料，将SEM图像示于图5和图6。该现有例是仅使用硼酸铝作为陶瓷粉末的铝合金基复合材料。

由这些图像可知，现有例中得到的材料的硼酸铝的粉末与其周围的铝可看出明确的浓淡，组织的边界清晰，与此相对，通过本实施方式的制造方法制作的实施例的材料的硼酸铝的粉末与其周围的铝的浓淡与现有例相比均不明确，组织的边界均不清晰。尤其可知，混合有SiC的粉末的本发明的实施例的材料的这一倾向更为显著。认为这是由于，本发明的实施例的材料与现有例的材料相比，硼酸铝与铝的结合强，彼此的边界模糊，认为特别是混合有SiC粉末的实施例的材料的润湿性进一步提高，结合进一步变强。

此外可知，通过按本实施方式的制造方法进行制作，任一材料的陶瓷粉末都均匀地分散、分布在铝合金基体中。

接着，作为本发明的实施例，针对使用硼酸铝与SiC的混合粉末作为陶瓷粉末并按前面说明的实施方式的制造方法所制作的铝合金基复合材料，将对杨氏模量、密度、比杨氏模量、导热率、阻尼振动特性和加工性进行测定的结果示于表1。需要说明的是，在表1中，将本发明的实施例的铝合金基复合材料记载为“开发品”。此外，作为比较，关于铸铁FC100、氧化铝陶瓷、基于现有的制造方法的铝合金基碳化硅强化复合材料、基于现有的制造方法的铝合金基硼酸铝强化复合材料，作为“现有品”在表1中也一并记载同样的特性。

[表1]

表1

关于阻尼振动特性，用脉冲锤对用绳子吊着的复合材料的试验片(10×10×100mm)施加激振，用加速度计检测结果产生的振动，用FFT分析仪测量。然后，基于对各复合材料的衰减波的顶点进行描点而成的曲线，根据乘数因子和频率算出衰减比，进行评价。

然后，将本发明的实施例中制作的铝合金基复合材料的阻尼振动特性示于图13。此外，为了比较，将铝的阻尼振动特性示于图11，将按图14所示的现有例的方法制作的铝合金基复合材料的阻尼振动特性示于图12。

关于加工性，对于利用数控车床在规定条件下对复合材料进行三维切削时的工具的前倾面、副后隙面，用金属显微镜进行观察，测定后隙面摩擦宽度，由此进行评价。

根据这些测定结果，确认到本发明的实施例的铝合金基复合材料与铸铁相比，具有杨氏模量约为2倍、密度约为40％、导热率为2.5倍的大幅提高的特性。

此外发现，本发明的实施例的铝合金基复合材料与氧化铝陶瓷相比，具有与2000系铝同等程度的良好的加工性。

此外，合金编号A6061的铝合金(T6处理)在300℃下的拉伸强度为30MPa左右，而本发明的实施例的铝合金基复合材料具有90MPa这一高的拉伸强度。

进而，在基于仅使用热膨胀系数低至8～10w/m·k的硼酸铝作为陶瓷粉末的现有的制造方法的铝合金基复合材料(铝合金基硼酸铝强化复合材料)中，导热率低，散热性差。与此相对，进一步添加有SiC的按本发明的制造方法制作的实施例的铝合金基复合材料与上述现有例的材料相比，导热率和机械特性得到提高。此外，即使添加了SiC，本发明的实施例的铝合金基复合材料的加工特性也基本不变，仍良好。

此外可知，本实施方式的制造方法所得到的铝合金基复合材料与现有的制造方法所得到的铝合金基硼酸铝强化复合材料相比，阻尼振动特性得到提高。现有的铝合金基碳化硅强化复合材料的阻尼振动特性优异而加工性差，与此相对，本发明的实施例的铝合金基复合材料的加工性也良好。

图11所示的铝的阻尼振动特性是振动不容易衰减，与此相对，图13所示的本发明的实施例的铝合金基复合材料的衰减快，获得了良好的阻尼振动特性。此外确认到图12所示的现有例的铝合金基复合材料的衰减波形产生了大量的噪音，与此相对，图13所示的本发明的实施例的铝合金基复合材料的噪音成分少。

认为这是由于现有例的铝合金基复合材料存在组织内的结合不充分的部分，结合强度在整体上不均匀，因此衰减波形产生噪音，本发明的实施例的铝合金基复合材料由于组织内的结合均匀且牢固，因此得到了噪音成分少的衰减波形。

因此，作为用于要求不仅轻量且具有高杨氏模量、而且要求具有高的阻尼振动特性、加工性的焊接机等的X-Y工作台、半导体制造装置等中使用的机械臂等的材料，本发明的制造方法所制作的铝合金基复合材料是适宜的。

需要说明的是，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式和实施例，可以在不脱离本发明的主旨的范围内加以各种变更。

例如，上述例示的实施方式中，作为陶瓷粉末使用硼酸铝、SiC，但也可以采用氧化铝(Al₃N₄)的粉末、晶须状的Ti酸钾等1种以上的其他陶瓷粉末。

附图标记说明

1 铝合金基复合材料

2、102 陶瓷粉末

3、23 多孔容器

4 模具

6 脱模件

103 金属容器

Al1 铝合金的熔融金属

Claims (7)

1.一种铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，所述铝合金基复合材料在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末，

所述制造方法具有下述工序：

填充工序，将所述陶瓷粉末填充至由多孔材料形成的多孔容器，利用盖部将所述多孔容器密闭；

将所述多孔容器设置在模具内、向所述模具内倒入铝合金的熔融金属的工序；以及，

浸入工序，对所述模具内的所述熔融金属施加压力，使所述熔融金属通过所述多孔容器而浸入内部的所述陶瓷粉末。

2.根据权利要求1所述的铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，

所述多孔容器由碳石墨形成。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，

在所述填充工序后具有对所述多孔容器进行预热的预热工序。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，

所述陶瓷粉末为硼酸铝的粉末。

5.根据权利要求4所述的铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，

作为所述陶瓷粉末，进一步添加有SiC的粉末。

6.根据权利要求5所述的铝合金基复合材料的制造方法，其特征在于，

在所述填充工序中，按体积比例计，相对于20的所述硼酸铝的粉末，以0.5～2.0的比例混合所述SiC的粉末。

7.一种铝合金基复合材料，其特征在于，所述铝合金基复合材料是在铝合金基体中使作为加强材料的陶瓷粉末均匀地分散、分布而成的，在铝合金中复合有作为加强材料的陶瓷粉末，

其由权利要求1～6中的任一项所述的铝合金基复合材料的制造方法得到。

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