CN1142006A - 汽缸衬与汽缸体以及制备该汽缸衬与汽缸体的方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽缸衬或汽缸体的中心孔部,它由一种复合的含金材料制成,该材料用纤维加固并分散有陶瓷颗粒,在该汽缸衬或汽缸体的中心孔部,陶瓷颗粒及矾土短纤维是均匀分散在一种轻金属基质中的,为制造该汽缸衬及汽缸体,首先将陶瓷颗粒与矾土短纤维混合在一起,制成一个预型体,使之形状与汽缸衬或中心孔部相同。在浇铸中使熔化的轻金属渗入到预型体的孔隙中去。
Description
本发明涉及一种汽缸衬及汽缸体,还涉及制备该汽缸衬及汽缸体的方法。具体说,本发明涉及这样一种汽缸衬及汽缸体以及其制备方法,其中汽缸衬本身或汽缸体的中心孔部分是由一种复合材料制成的,用增强纤维对其进行加固,并分散有一些坚硬的颗粒,本发明还涉及一种汽缸衬的预型体以及汽缸体的中心孔部。
在内燃机中使用的汽缸衬和汽缸体必须具有高强度,高硬度以及很高的尺寸稳定性,而且还必须具有对对置滑动元件足够的滑动特性,所述的对置滑动元件是例如活塞环和活塞。针对这一作用,传统的汽缸体采用铸铁来制造。但是,为了减小其重量,有人建议了一种汽缸体,其中的本体部分是由铝合金制造的,而汽缸衬则由铸铁制造,以便照顾到其滑动特性。或者整个汽缸体都由过共晶的铝-硅合金制成。
公开号为昭62-187562的日本专利申请中公开了一种经纤维增强的汽缸衬。其中一个具有汽缸体形状的预型体由一种含有碳纤维和矾土纤维的纤维混合物制成。将一铸铁套插入该预型体的内周面中,再将它们放入一台铸造机器中。在铸造过程中,熔化的铝合金全进入预型体中,于是,环绕着汽缸中心孔的部分便由纤维增强的复合材料制成。
为了改善汽缸中心孔部分轻金属合金的滑动特性,使之达到或高于铸铁的水平,人们便采用了一种带有铝合金基质的复合材料。例如,专利号为3-71939的日本专利出版物中公开了一种由铝合金制成的滑动元件,其中的滑动部分是由增强纤维,例如矾土纤维和碳纤维增强的。
用过共晶铝-硅合金生产无套筒的引擎体,引擎体的导热性可以提高,相邻汽缸孔之间的铝的有效厚度可以增大,以便利于铸造作业,这样,一种坚实而轻质的引擎主体便被制造出来了。但是,要想控制预共晶硅的颗粒尺寸是十分困难的,因此,降低了生产率,而且所生成的引擎本体的机加工性能很低。此外,铝-硅合金的滑动性能也比铸铁的要差得多。所以,这种铝-硅合金不能充分满足汽缸中心孔部的要求。
此外,在传统的纤维增强复合材料中,在对预型体的填充过程中熔化的金属可能发生固化,从而使熔化金属的填充受到损坏。而且在预型体中可能发生变形,断裂或弯曲,无法使熔化金属充分地填充进去,这种产品不适合滑动部分的要求。在使用碳纤维的场合,在对组合物进行高温处理时,纤维很容易与铝合金发生反应。在组合物处理过程中,铝合金与碳纤维的界面处会产生一层很脆弱的碳化物,从而使其机械强度如抗冲击性能降低。
除此之外,当采用铝合金基质型复合材料时,如果其中的SiC颗粒及Al2O3颗粒被分散在铝合金中,在组合物处理过程中这些颗粒会发生聚集。这样,就无法使颗粒在基质中得到均匀地分散,对对置元件的破坏力就会加大,虽然说作为一个中心孔材料其耐磨性得到改善。如果这种材料被用作衬材,活塞环和活塞的磨损自然会加大。
因此,本发明的一个目的便是提供一种改进的汽缸衬及气缸体,同时还提供一种制造该产品的方法。其中,汽缸衬本身或汽缸体的缸中心孔部是采用一种复合材料制成的,该材料用增强纤维进行加固,并分散有一些陶瓷颗粒。
本发明的另一个目的在于提供这样一种产品及其制造方法,其中,在用一种金属基质进行渗透之后,其预型体不会产生变形,而且所述的增强纤维和陶瓷颗粒可以很均匀地分布在该基质金属中。
本发明的第三个目的在于提供这样一种汽缸衬及汽缸体,它们具有很高的尺寸精度,很高的强度、很高的硬度以及很好的滑动性能。
本发明上述的以及其他的目的是通过提供汽缸衬而实现的,该衬层由一种增强的复合材料制成,其中,有许多陶瓷颗粒和矾土短纤维分散在一种轻金属的基质材料中。
从另一个方面看,本发明提供了一种汽缸体,它包括一个由一种轻金属材料制成的缸体部和一个圆孔部,该圆孔位于缸体的中心处,并与一活塞环及一活塞相对滑动,该汽缸体的中心孔部由一种复合材料制成,并用矾土短纤维进行了加固,其中的陶瓷颗粒被分散在一种轻金属的基质材料中。
从本发明的另一个方面看,还提供了一种预型体,它的形状与一汽缸衬层或汽缸体的中心孔部相同,该预型体包括一种由矾土短纤维和陶瓷颗粒组成的混合物,该混合物具有若干孔隙,一种熔化的轻金属可以渗入到这些孔隙中,从而构成一种用矾土短纤维增强的、并分散有陶瓷颗粒的复合材料。
再从本发明的另一个方面来看,它还提供了一种制造汽缸衬的方法,该方法包括以下步骤:先将陶瓷颗粒与主成分为矾土短纤维的短纤维混合,而制成一种汽缸衬的预型体,然后将该预型体放置在一汽缸衬的金属铸模中对汽缸衬进行铸造,即将轻金属浇铸到金属铸模中,从而使该轻金属作为基质材料渗入到预型体的孔隙中去,生成一种经矾土短纤维加固的复合材料,其中还有若干陶瓷颗粒分散在该基质材料中。
从本发明的另一个方面看,它还提供了一种生产一种汽缸体的方法,该方法包括如下步骤:先用一种轻金属铸造出一个汽缸体,将陶瓷颗粒与主成分为矾土短纤维的短纤维进行混合,以制备一种汽缸衬的预型体,再将该预型体放在一汽缸衬的金属铸模中对汽缸实进行浇铸,即将一种轻金属浇入金属铸模中,从而使该轻金属作为基质材料渗入到预型体的孔隙中,生成一种用矾土短纤维增强的预型体,在预型体的基质中分散有若干陶瓷颗粒,该汽缸衬的轻金属可以与构成缸体部的轻金属相同,也可以不同,然后再将铸好的汽缸衬压配到所铸的缸体部中。
从本发明的另一个方面看,它还提供了一种生成一种汽缸体的方法,该方法包括以下步骤:首先将陶瓷颗粒与以矾土短纤维为主成分的短纤维相混合,形成一种汽缸衬的预型体,再将该预型体放置到一汽缸衬的金属模具内对汽缸衬进行浇铸,即将一种轻金属浇入该金属模具中,从而使该轻金属作为一种基质材料渗透到预型体的孔隙中去,这样便制成一种经矾土短纤维增强过的复合材料,其中的基质材料中分散有若干陶瓷颗粒,再将该铸好的汽缸衬放入一缸体部的金属模具中,该金属模具部分与缸体部的中心孔相对应,对已放入汽缸衬的缸体部进行整体浇铸,即将一种轻金属注入该汽缸体的金属模具中,用于浇铸缸体部的轻金属可以与构成汽缸衬的轻金属相同,也可以不同。
本发明还有另一个方面,它提供了一种生产一种汽缸体的方法,该方法包括以下步骤:首先将陶瓷颗粒与以矾土短纤维为主成分的短纤维相混合,制备一种预型体,使之与汽缸体的中心孔部相对应,再将该预型体放入一汽缸体缸体部的金属铸模中,该金属铸模部相应于中心孔部,然后将一种轻金属浇入该缸体部的金属模具中,从而使中心孔部的浇铸与缸体部的浇铸同时完成。这时,轻金属将作为一种基质材料渗入到已放入到金属模具中的预型体的孔隙中去,生成一种由复合材料制成的中心孔部,该材料由矾土短纤维进行加固,并有若干陶瓷颗粒分散在该基质材料中。此时,缸体部与中心孔部由该轻金属整体铸成。
在本发明的汽缸衬及汽缸体中,其复合材料中的增强材料是短纤维与陶瓷颗粒的混合物,因此,在降低对对置元件的破坏力的同时,又获得了极好的耐磨性。如果采用中空的陶瓷颗粒,其中空部分起到储存润滑油的作用,可进一步改善其滑动性能。另外,由于使用了颗粒材料,可以降低矾土短纤维的体积百分率,从而降低对对置元件的破坏力。
此外,本发明的预型体具有一种骨架结构,由于矾土短纤维与陶瓷颗粒的协同作用,该结构具有很高的强度和硬度。因此,在组合物处理过程中,该预型体不会发生变形,从而为生成的产品提供了很高的尺寸精度。另外,该骨架结构中带有若干孔隙,使熔化的金属很容易渗入到孔中,从而提供一种结构均匀的产品。
另外,在本发明生产汽缸衬及汽缸体的方法中,陶瓷颗粒是均匀地分布在预型体中的,陶瓷颗粒与矾土短纤维间的相对位置关系可以保持不变,这是由于它们之间存在着相互作用的缘故。这样,在组合物处理过程中不会发生颗粒的聚集,否则将会影响其机械强度。于是,便获得了一种均匀的滑动部件。也就是说,由于预型体包括有陶瓷颗粒及矾土短纤维,使该预型体中含有适量的孔隙,这就有利于熔化金属对孔隙的渗透,而且该预型体即使在金属渗透之后也不会发生大的变形,这是由于该预型体具有坚固的骨架结构的缘故。
以下对附图作简要说明,在附图中:
图1是一幅透视图,它表示了本发明第一实施例的一种汽缸衬的预型体;
图2(a)是一幅显微镜照片,其放大倍数为100倍,它表示的是在一个实施例中某一部位的一种金属结构,该部位处于其基体部与用作汽缸衬的复合材料的合成部的结合边缘附近,在该实施例中,ADC12合金是通过予成型而复合成的,它主要由中空的SiO2颗粒和矾土短纤维组成;
图2(b)也是一幅显微镜照片,放大倍数为100倍,它表示的是图2(a)中复合材料中的合成部分的一种金属结构;
图3(a)也是一幅显微镜照片,放大倍数为100倍,它表示的是在本发明的一个实施例中某一部位的一种金属结构,该部位处于其基体部与用作汽缸衬的复合材料的合成部的结合边缘附近,在该实施例中,ADC12合金是通过予成型而复合成的,它主要由中空的SiO2颗粒,麻来石以及矾土短纤维组成;
图3(b)是一幅放大100倍的显微镜照片,它表示的是图3(a)的复合材料中的合成部的金属结构;
图4是一组曲线,它表示的是在该实施例中的一种滑动元件的磨损特性。
以下将参照附图1对本发明一个实施例的一种汽缸衬以及制造该汽缸衬的方法进行说明。汽缸衬1是由一种复合材料制成的,其中采用矾土短纤维进行加固,并用陶瓷颗粒进行分散处理。其基质是由轻金属制成的,例如铝,铝合金,镁,以及镁合金。ADC12,ADC10,AC8A以及AC4CH都可以作为铝合金来使用。在该基质中,陶瓷颗粒以及矾土短纤维都是均匀分布的。
可以作为陶瓷颗粒材料使用的有:碳粉,石墨粉,金属氧化物或Al,Si,Ti,Zr,Mg,B,Fe的碳化物,例如SiO2,SiC,TiO2以及Fe2O3粉末,还有金属氮化物粉末。优选的颗粒为矾土(Al2O3),麻来石(3Al2O3·2SiO2),硅石-矾土(Al2O3/SiO2=50/50-95/5),硅石(SiO2)。其颗粒的尺寸不应大于100微米,最好不要大于60微米。此外,硅石-矾土以及硅石最好是空心球形的。
矾土短纤维由一种材料制成,该材料的主要成分是矾土,例如矾土(Al2O3),麻来石(3Al2O3·2SiO2),以及硅石-矾土(Al2O3/SiO2=50/50-95/5)。短纤维的长度应不大于1mm,最好不大于0.8mm,其直径不大于50微米,最好不大于30微米。
预型体是由陶瓷颗粒和矾土短纤维制成的,它们是主要成份。更具体地说,是将矾土短纤维、硅石球体、麻来石颗粒以及无机粘合剂如硅石溶胶的混合物进行分散处理,过滤、施压、干燥以及燃烧热处理而予制成型的。接下来,使熔化的轻金属渗入到预型体的孔隙中去。例如,对于图1所示的本发明第一实施例的汽缸衬1来说,首先制取一个与图1所示的形状相同的预型体,然后将其放入一个汽缸衬的型腔中,再将一个型芯插入预型体中,通过模铸的方法熔化的轻金属浇入金属模具中。这样,熔化的轻金属便均匀地渗入到预型体的孔隙内。根据模铸的具体条件,预型体的予热温度在室温至500℃的范围内,熔化金属的温度为680℃~770℃,金属模的温度为150℃~300℃,浇铸速度为0.1~1.0m/s,浇铸压力为250~700kg/cm2。
在用轻金属进行渗透之后生成的复合材料中,陶瓷颗粒和短纤维的总量为总体积的9~50%。如果体积含量小于9%,则无法达到预期的增强效果,另一方面,如果其体积含量大于50%,则无法使熔化的金属充分地渗入到其孔隙中去。
将该铸造的衬层与一汽缸体的孔部压合在一起,所述汽缸体是由一种轻金属制成的,它可以是与衬层中的基质金属是同一种材料,也可以与之不同。也可以采用另外一种方式,即当用轻金属铸造汽缸体时(该轻金属可以是与衬层中的基质金属是同一种材料,也可以与之不同),将由上述复合材料制成的,并通过矾土短纤维加固过,且分散有一些颗粒的铸造衬层放入汽缸体的金属模具中,这样便可以在铸造缸体时使之与汽缸体成为一体。
下面再对本发明的第二个实施体进行说明。在第二个实施例中,衬层不是单独铸造的,而是与汽缸体同时铸造出来的,也就是说,在铸造汽缸体时,将上述中空的圆筒形预型体放置在汽缸体的金属铸模中,使之位于汽缸体的中心孔内,然后将熔化的铝合金灌入金属铸模中。这样,在汽缸体的缸体部被铸造成的同时,熔化的铝合金也均匀地渗入到已被放置到汽缸体的中心孔中的预型体的孔隙中去了。便由一种复合材料组成,矾土短纤维对其进行加固,同时又分散有一些陶瓷颗粒。可以根据汽缸体的铸造条件,将预型体的预热温度定为自室温至500℃的范围之内,熔化金属的温度为680℃~770℃,金属模具的温度为150℃~300℃,浇铸速度为0.1~1.0m/s,铸造压力为250~700kg/cm2。在第二实施例中,很明显,缸体部与中心孔部的基质材料是相同的。
图2的照片表示了汽缸衬层中的金属结构,该衬层是将ADC12基质合金渗透到由矾土短纤维和中空SiO2球体组成的混合物预型体中而制得的,而图3所示的照片则表示了另一种汽缸衬层的金属结构,该衬层是通过将ADC12基质合金渗透到由矾土短纤维,中空SiO2球体,以及麻来石颗粒组成的混合物预型体内而制得的。在图2中,直线部分表示矾土短纤维,而黑色圆点则表示中空的SiO2球体。此外,在图3中,微小的圆点表示麻来石颗粒,直线部分表示矾土短纤维,而黑色圆点表示中空SiO2球体。复合部分表示一个预型体部分,其中渗有ADC12基质合金。该预型体用以下的方式制得。
首先,将矾土短纤维(Al2O3∶SiO2=72∶28,重量比)与500份重量的水放入一个溶解装置中,对之进行磨破和拆散。再将200份重量的乙酸矾土溶液(其中的固体物含量为10%的重量)加入到混合物中,并在湿态下对该混合物进行搅拌。将混合物倒入一圆柱形金属模具中,使其液体成份从上、下表面排出,从而获得一种压制坯。在一台干燥机中在105℃的温度下对该压制坯干燥10小时,再在1200℃的温度下烧制3小时,便获得一种预型体,其中均匀分布着矾土短纤维和中空SiO2球体,而且矾土短纤维被中空SiO2颗粒的骨架作用牢牢固定住。矾土短纤维与中空SiO2颗粒相互结合而导致的协同作用对预型体的强度和刚性起到了加强作用。
接下来,用铝合金(ADC12合金)对预型体进行渗透,根据具体的铸造条件,预型体的预热温度可在室温至500℃的范围内,熔化金属的温度在680℃~770℃,金属模具温度为150℃~300℃。浇铸速度为0.1~1.0m/s,铸造压力为250~700kg/cm2。
对于图2和图3这二种情形来说,都可实现熔化金属对所生成的预型体充分的渗透,因为包含在预型体中的颗粒保持有空隙,使熔化的金属很容易进入这些空隙内。
接下来进行Oogoshi耐磨试验,以便对用矾土短纤维进行加固,并且陶瓷颗粒进行分散的复合材料的滑动特性进行考察。制备1,2,3三种样品,样品1是如图2所示的本发明的一种复合材料,其中,矾土短纤维和中空SiO2球体共存。样品2是如图3所示的本发明的一种复合材料,其中,矾土短纤维,中空SiO2球体和麻来石颗粒共存。在上述二种样品中,其基质合金均为ADC12。样品3是对比样品,它由B390合金组成。对置的滑动元件用铸铁(FC25)制成,相应样品的磨损量按下述滑动条件测得:
润滑油:SAE10W40
负荷:19.9kgf
滑动距离:400m在图4中,其磨损速度指的是对置元件的滑动速度。此外,磨损量比率指的是对着对置滑动元件的磨损比率。Ws代表磨损量比率设立以下等式:
Ws=A·WO/PO·LO
其中A代表系数(约为1.5)
WO代表磨损量,
PO代表最终负荷,
LO代表滑动距离。
根据图4所示的磨损量试验结果可以判断出:本发明提供的样品1和2比对比样品3具有更好的耐磨损性能。
此外,在经过磨损量试验之后,将样品1,2和3都放入电子探测器中进行微观分析,根据EPMA的分析结果,从对置滑动元件中释放出的Fe颗粒粘附在样品3的滑动表面上,然而,在样品1和2的滑动表面上却未发现粘附有Fe的颗粒。这样,本发明的样品就具有一种对对置元件低破坏力的性能。其原因在于:由于复合材料中含有中空SiO2颗粒,具中空部分可以容纳润滑油,从而改善其滑动特性。此外,由于样品2中加入了麻来石,在不提高对对置滑动元件破坏力的同时,其耐磨性得到了提高。
Claims (26)
1.一种由增强复合材料制成的汽缸衬,其特征在于在一种轻金属的基质材料中分布有陶瓷颗粒和矾土短纤维。
2.如权利要求1所述的汽缸衬,其特征在于其陶瓷颗粒选自以下材料:矾土、麻来石、硅石一矾土以及硅石。
3.如权利要求2所述的汽缸衬,其特征在于所述的硅石-麻来石及硅石都是中空的颗粒。
4.如权利要求2所述的汽缸衬,其特征在于陶瓷颗粒的尺寸不大于60微米。
5.如权利要求2所述的汽缸衬,其特征在于矾土短纤维选自如下材料:矾土,麻来石以及硅石-矾土。
6.如权利要求5所述的汽缸衬,其特征在于矾土短纤维的长度不大于0.8mm,其直径不大于30微米。
7.如权利要求5所述的汽缸衬,其特征在于陶瓷颗粒与矾土短纤维的总和占复合材料总体积的9~50%。
8.一种汽缸体,它包括一个由一种轻金属制成的缸体部及一个位于缸体部内的中心孔部,该孔部与一活塞环及一活塞相对滑动,该汽缸体包括:
一个由一种复合材料构成的中心孔部,该材料用矾土短纤维进行了加固,其中还有若干陶瓷颗粒分散在轻金属的基质中。
9.如权利要求8所述的汽缸体,其特征在于组成中心孔部的轻金属与形成缸体部的轻金属是相同的。
10.如权利要求8所述的汽缸体,其特征在于组成中心孔部的轻金属与形成缸体部的轻金属是不同的。
11.如权利要求8所述的汽缸体,其特征在于陶瓷颗粒选自以下材料:矾土,麻来石,硅石-矾土以及硅石。
12.如权利要求11所述的汽缸体,其特征在于硅石-矾土及硅石都是中空的颗粒。
13.如权利要求11所述的汽缸体,其特征在于陶瓷颗粒的尺寸不大于60微米。
14.如权利要求11所述的汽缸体,其特征在于矾土短纤维选自以下材料:矾土,麻来石以及硅石-矾土。
15.如权利要求14所述的汽缸体,其特征在于矾土短纤维的长度不大于0.8mm,其直径不大于30微米。
16.如权利要求14所述的汽缸体,其特征在于陶瓷颗粒和矾土短纤维的总和占复合材料总体积的9~50%。
17.一种预型体,其形状与一汽缸衬或一汽缸体的中心孔部相同,该预型体包含有矾土短纤维与陶瓷颗粒的混合物,该混合物中含有若干孔隙,一种熔化的轻金属可以渗入其中,从而生成一种由矾土短纤维加固的并分散有陶瓷颗粒的复合材料。
18.如权利要求17所述的预型体,其特征在于陶瓷颗粒选自以下材料:矾土,麻来石,硅石-矾土以及硅石。
19.如权利要求18所述的预型体,其特征在于硅石-矾土及硅石都是中空的颗粒。
20.如权利要求18所述的预型体,其特征在于陶瓷颗粒的尺寸不大于60微米。
21.如权利要求18所述的预型体,其特征在于矾土短纤维选自以下材料:矾土,麻来石以及硅石-矾土。
22.如权利要求21所述的预型体,其特征在于矾土短纤维的长度不大于0.8mm,其直径不大于30微米。
23.一种生产汽缸衬的方法,它包括以下步骤:
将陶瓷颗粒及以矾土短纤维为主成分的短纤维相混合,制成汽缸衬的预型体;
将预型体放入一汽缸衬的金属铸模中,并将轻金属注入该铸模中,使该轻金属能作为基质材料渗入到预型体的孔隙中,从而铸造出一个汽缸衬,此时所生成的材料为一种用矾土短纤维加固过的复合材料,陶瓷颗粒分布在其基质材料中,
24.一种生产汽缸体的方法,它包括以下步骤:
用一种轻金属铸造出一个缸体部;
将陶瓷颗粒与以矾土短纤维为主成份的短纤维相混合制成一个汽缸衬的预型体;以及
将预型体放入一个汽缸衬的金属铸模中,将一种轻金属浇入金属铸模中,使轻金属作为基质材料渗入到预型体的孔隙中去,从而制成一个汽缸衬,该衬为由矾土短纤维加固的复合材料,陶瓷颗粒分散在其基质材料中,制成汽缸衬的轻金属与缸体部的轻金属是相同的或不同的;以及
将铸好的汽缸衬压配到铸好的缸体部内。
25.一种生产汽缸体的方法,它包括以下步骤:
将陶瓷颗粒与以矾土短纤维为主成份的短纤维混合,制成一个汽缸衬的预型体;
将该预型体放入一个汽缸衬的金属铸模中,并将一种轻金属浇入该金属铸模内,使轻金属作为基质材料渗入到预型体的孔隙中去,从而制成一个汽缸衬,其材料为由矾土短纤维加固过的复合材料,陶瓷颗粒分散在其基质材料中;
将铸好的汽缸衬放到汽缸体的缸体部的金属铸模中,该金属铸模部相当于缸体部的中心孔部;以及
将一种轻金属浇入缸体部金属铸模中,使缸体部与予先放入的汽缸衬一体铸成,缸体部的轻金属可与汽缸衬的轻金属相同或不同。
26.一种生产汽缸体的方法,它包括以下步骤:
将陶瓷颗粒与以矾土短纤维为主成份的短纤维相混合,以制成一个与汽缸体的中心孔部相对应的预型体;
将该预型体放入汽缸体缸体部的金属铸模中,该金属铸模部相应于中心孔部;以及
将一种轻金属浇入缸体部的金属铸模中,使轻金属作为一种基质材料渗入到予先放入金属铸模内的预型体的孔隙中去,从而将中心孔部与缸体部同时浇注成,此时其中心孔部是由一种经矾土短纤维加固的复合材料,陶瓷颗粒分散在其基质材料中,其缸体部与中心孔部由轻金属整体铸成。
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