CN1764614A - 预置铜焊合金的金刚石工具镶件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超级磨料工具坯的碳化物侧面附加有合适的铜焊合金，用于随后成形为期望的工具几何形状并且以感应钎焊的方式形成切削工具。利用在形成切削工具的工具坯中的预涂覆铜焊合金可以直接将超级磨料坯铜焊到工具镶件上，从而使在现有技术的方法中的成形和处理铜焊基底(即，铜焊所述超级磨料工具坯、铜焊合金和工具镶件的组件)的操作和劳动时间最小化。预铜焊的坯可以方便地用于形成切削工具的自动铜焊操作。

Description

预置铜焊合金的金刚石工具镶件及其制造方法

相关申请交叉参考：本专利申请要求2003年2月7日在美国提交的序列号60/445613的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及预涂覆(pre-coated)铜焊合金的金刚石工具坯(tool blank)和制造这种工具坯的方法。

背景技术

用于机械加工、铣削、车削、切割、钻削的切削工具经常配置硬切削材料的镶件(insert)，例如，超级研磨材料(superabrasive material)。多晶金刚石(“PCD″)和多晶立方氮化硼(“PCBN″)是分别广泛用于机械加工或切削非铁或钢材料或铁材料的工具镶件的超级研磨材料。该工具一般通过将PCD/PCBN坯铜焊到工具镶件或工具主体(例如钢柄)而形成，然后，用金刚石砂轮磨削或成形为其最终结构。

用PCD或PCBN坯制造的工具在生产应用中一般要胜过许多普通工具。但是，由PCD/PCBN坯制造切削工具的工艺是劳动力密集型的工艺，特别是在通过熔化方法来连接或结合超级磨料(superabrasive)坯与工具镶件的铜焊操作中更是如此。结合强度是各种因素的函数，所述因素包括零件之间的间隙、所使用的铜焊材料、连接界面、以及铜焊条件。在铜焊操作中，要注意保证在超级磨料坯和工具的界面处的良好结合。在加热之前铜焊材料被施加或放置在连接表面上。铜焊材料可以是下面多种形式之一，即适于进入会合的碳化物表面的内部凹槽或凹穴的浆、糊、粉末、预制环、垫圈、盘、带、或箔。

由于许多理由，合金箔形式的铜焊材料一般比其他形式更受欢迎，所述理由包括但不限于优越的流动特性(其便于良好的结合)[参见2001年六月的《先进的材料及工艺(Advanced Materials & Processes)》中的“具有非晶箔性能的铜焊(Brazing with amorphousfoil performs)”]。但是，由于在成形铜焊合金箔片以匹配切削工具坯的繁重切割所需要的额外劳动，以及这些微小的箔和工具坯件所需要的精密处理和精确定位，使用铜焊箔的使用明显增加工具制造成本。

在铜焊加工中，铜焊材料放置在工具坯和工具镶件之间(或要在其上铜焊所述坯的其他工具)，施加助熔剂(flux)材料以防止氧化，并且组件被加热到铜焊材料液相线(liquidous)以上的温度。加热处理也是劳动力密集型，因为操作者必须密切注意连接界面，即，工具镶件、铜焊界面层和工具坯，并且根据需要重新定位材料以保证这些表面之间的良好结合。当工具坯被正确定位在凹穴中并且铜焊充分地扩散到整个界面时，组件被冷却到室温以完成铜焊操作。在最后的步骤中，组件的边缘被精磨成期望的工具几何形状。

一家精确工厂铣切(routing)、成形和切削工具的最主要制造商Carb-I-Tool指出：“高质量刀头(bit)的的关键之一是没有气泡的理想铜焊，从而将碳化物刀片(tip)密封于主体。熟练的操作者仍然是保证[高质量刀头]的最佳手段″

( http：//www.aptoolparts.com/html/about us.html)。

申请人已经找到一种方法，以最小化或废除一些现有技术工艺中的耗时步骤，这些步骤要求熟练的操作者在将超级磨料工具坯与工具镶件熔合之前以及在将超级磨料工具坯与工具镶件熔合的过程中，进行繁重的铜焊基底成形/切割和处理操作。在本发明的方法中，部分铜焊处理是“离线的(off-line)”，即，工具坯被预置(prefixed)了铜焊合金。

发明内容

本发明涉及超级磨料工具坯，其碳化物侧面涂覆有合适的铜焊合金，用于随后成形为期望的工具几何形状并且以感应钎焊的方式形成切削工具。

本发明还涉及形成切削工具的方法，包括以下步骤：在被支撑的超级磨料工具坯的碳化物侧面涂覆合适的铜焊合金，可选择地将涂覆有铜焊合金的工具坯切削或成形为期望的形状或精确的尺寸，以及将涂覆有铜焊合金的工具坯铜焊到有穴的工具镶件或工具主体中。

附图说明

图1是本发明的坯的实施方案的EDM切割边缘的照片，图中为在涂覆铜焊合金后的情况。

图2是本发明的铜焊涂覆PCD坯的实施方案的照片，图中为铜焊到工具主体中之后的情况。

图3示出在自动铜焊过程中本发明的铜焊涂覆坯的使用，所述的坯作为送料盘的部分进入到铜焊操作中。

具体实施方式

如以下部分的描述，在工具坯直接铜焊到工具镶件或工具主体之前，在被支撑的超级磨料工具坯的碳化物侧面预涂覆或预置有合适的铜焊合金。在工具坯的碳化物侧面预置或预涂覆的铜焊合金排除了在铜焊加工中对铜焊合金界面的处理。在本发明的方法中，超级磨料工具坯预置有合适的铜焊合金，然后，铜焊合金涂覆的工具坯被铜焊到有穴的(pocketed)工具镶件或工具主体中。

提供超级磨料工具坯。在此使用，“超级磨料工具坯”指的是结合到烧结金属碳化物支撑体的PCD(多晶金刚石)或PCBN(多晶立方氮化硼)复合体(compact)的元件。

复合体一般表征为由磨料颗粒(例如金刚石或立方氮化硼(CBN))的多晶物料(mass)烧结形成的整体结合结构。复合体可以是自结合的，或者可以包括大约5％-75％体积的合适的结合基体。结合基体通常是金属，诸如钴、铁、镍、铂、钛、铬、钽、铜或合金或它们的混合物，或陶瓷材料，诸如过渡金属的氮化物、碳化物、硼化物或氧化物或它们的混合物。基体可以另外包含再结晶或生长催化剂，诸如用于CBN的铝或用于金刚石的钴。

支撑的烧结金属碳化物包括钨、钛、或钽的碳化物颗粒，或其混合物，所述颗粒用结合剂(binder)结合在一起，所述结合剂具有约6％-25％(重量)的金属，诸如钴、镍、或铁，或其混合物，或其合金。

形成超级磨料工具坯的过程是通过高压/高温(HP/HT)方法来进行的。该过程包括将未烧结的磨料、晶体颗粒(诸如金刚石或CBN)或其混合物的物料(mass)，放置在HP/HT装置的反应室中的保护性屏蔽壳内。如果打算烧结金刚石颗粒，附加地与磨料颗粒一起放置在壳内的可以是金属催化剂，以及预制的烧结金属碳化物物料，用于支撑磨料颗粒，从而形成复合体的支撑体。然后，反应室的容纳物质经受这样的处理条件，即所述处理条件足以影响相邻磨料颗粒的晶粒之间的晶间结合，并且可选地，影响烧结的颗粒与烧结金属碳化物支撑体的结合。这种HP/HT加工条件一般包括施加大约3-120分钟至少1000℃的温度和至少20Kbr的压力。

超级磨料坯商业上可以从通用电气公司(General Electric Company)获得，商品名为COMPAX，BZN和Stratapax。在一个实施方案中，碳化物支撑的工具坯是以盘的形式，直径范围大约为10mm-74mm。

用铜焊合金预制超级磨料工具坯。在本发明的一个实施方案中，在形成或成形为期望的几何形状之前，所述工具坯预被涂覆或预置铜焊合金。

各种铜焊合金组成可以用于本发明，例如，在Kirk-Othmer化学技术百科全书(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology)，第三版，21卷，342页等描述的铜焊合金组成。铜焊合金组成也可以包括作为熔点抑制剂(melt point suppressants)的硅和/或硼。

在一个实施方案中，铜焊合金包括贵重金属，诸如银、金、和/或钯，与其他金属组合，诸如铜、锰、镍、铬、硅和硼。在另一实施方案中，铜焊合金包括大约78-99.97％重量的第一金属，例如，银；大约0.01-12％重量的第二金属，例如，铜；大约0.01-5％重量第三金属，例如，镍；以及大约0-5％重量的硅，所有这些都基于铜焊合金的总重量。在又一实施方案中，铜焊合金具有的组成为78-99.97％的银，0.01-12％的铜，0.01-5％的镍，和可选的0.01-5.0％的硅。

铜焊合金可以应用各种形式，包括但不限于：a)箔形式，商业上可以从各种来源获得，所述来源包括Wesgo，Allied Signal，和Vitta，厚度范围从0.0005-0.003英寸或更厚；b)线形式；c)粉末；d)糊；和e)含有金属粉末的浆，结合剂(诸如聚氧化乙烯和各种丙烯酸(acrylics))，或溶剂为基的结合剂，以及可选的溶剂。

用来将铜焊合金施加或粘附到支撑超级磨料工具坯的碳化物侧面的各种技术包括但不限于：a)熔化涂覆，即，应用液体形式的铜焊合金并且在适当地的位置固化为均匀层；b)无电镀镀覆；c)电镀；d)溅射涂覆或其他物理沉积方法；e)化学气相沉积法；f)激光，点焊，或以铜焊箔为形式的铜焊合金点焊；g)用合适的结合剂材料，象涂料或糊一样来涂刷或施加；h)用合适的结合剂或本领域公知并商业上可从多个来源获得的粘合带来粘附箔形式的铜焊合金，所述来源诸如Sulzer-METCO公司；i)火焰喷涂；j)热压或热轧；k)冷压或冷轧；以及l)在熔化的铜焊合金中镀锡(tinning)或浸渍涂布。

在一个实施方案中，足够量的铜焊合金被施加或粘附到超级磨料坯的碳化物侧面，以保证在铜焊操作中坯和工具镶件之间的良好结合。在另一实施方案中，施加的铜焊合金厚度是所使用的复合箔铜焊材料的厚度，例如约30-150μm。

形成期望的工具坯形状。在铜焊合金施加到超级磨料坯上之后，铜焊合金涂敷的坯可选地被加工成最终期望的形状，例如，5.0mm边长的80°三角形，用来随后放置到有穴的镶件或工具主体中。

成形可以用任何本领域公知的方法，包括放电加工(EDM)、放电研磨(EDG)、激光、等离子体和水喷射。在一个实施方案中，用预置了铜焊合金的坯通过磨耗水喷射手段来成形。在另一实施方案中，坯的表面在选定的表面位置进行激光蚀刻，或根据预定的计算机控制图形来形成最终期望的形状。

铜焊成为工具镶件。如在此所使用的，“工具镶件”或简单的“工具”是用来表示在其上要铜焊所述的超级磨料坯的工具主体、刀架、或其他工具。各个工具镶件可选地包含用于容纳已预铜焊(pre-brazed)的超级磨料坯的穴。在本发明的最后步骤中，成形的坯被直接铜焊到有穴的工具镶件中，例如，钢柄。

可以用本领域的任何铜焊手段来进行铜焊，包括浸渍铜焊、炉铜焊、喷灯加热的铜焊、感应加热的铜焊以及电阻加热的铜焊。铜焊温度部分取决于所使用的铜焊合金的类型，一般在约525℃-约1650℃的范围。

在本发明的一个实施方案中，通过采用感应线圈的感应加热进行铜焊，以获得迅速的加热(取决于工具的尺寸，整个周期可以仅用几秒)，均匀的效果，以及在连接表面的局部加热。

在将预置了铜焊合金的坯铜焊到有穴的镶件或工具的最后步骤中，可以使用铜焊助熔剂，以熔解(dissolve)在表面形成的氧化物。助熔剂可以为糊或粉末形式。

应该注意到，通过在超级磨料坯的碳化物支承体上使用预涂覆或预置的铜焊合金，在将所述坯铜焊到工具镶件或主体的过程中所需要的助熔剂要少得多。另外，铜焊合金预置到超级磨料工具坯还可以大大地简化铜焊工艺，因为它排除了处理和正确定位铜焊箔小片的需要。

在自动铜焊操作中使用预置铜焊合金的超级磨料坯。申请人已经发现使用预置铜焊合金的超级磨料工具坯大大地方便自动铜焊操作，即，使用铜焊夹具来铜焊工具坯和工具主体或工具镶件，其中操作人员的干预很小或操作人员的干预最小。在本发明的一个实施方案中，在采用自动铜焊机沿在美国专利No.5,125,555“具有传感器的自动铜焊熔化机”中公开的装置的生产线的操作中，使用预铜焊的超级磨料工具坯，其中铜焊方法是通过火焰加热的。

在采用本发明的预置铜焊合金坯的自动加工的另一实施方案中，铜焊涂覆的(braze-coated)坯2在被切割/成形成期望的几何形状后(例如，三角形块等)被装载到具有多个穴1的托盘12上，如图3所示。有穴的碳化物镶件被装载到也具有多个穴的另一托盘20上，并且具有镶件的托盘20也被载入铜焊接机。托盘12和20可以装载到轴上或设置在自动传输系统中，从而自动并且连续地将料送入铜焊机中，其中托盘向前移动一个穴的时间传输一个铜焊涂覆的(braze-coated)坯和一个相应的碳化物镶件到感应加热单元中。

如果托盘一次向前移动一个穴，可选的覆盖带3同时从穴被剥离，暴露铜焊涂覆的坯2或相应的镶件。在铜焊过程中，旋转臂传送机、机器人臂、或类似的机械装置位于下游，以精确地将有穴的碳化物镶件放置到感应加热单元上。旋转臂(或第二旋转臂)抓起铜焊涂覆的坯2并将它放在被加热的镶件的穴1中。在预设时间之后(即，在铜焊合金熔化后)，感应加热自动地降低，并且用旋转臂自动移走完成的/已铜焊的镶件，该过程重复到所有工具镶件被铜焊。

在本发明用预铜焊坯(或预置、或预涂覆铜焊合金的坯)进行自动铜焊加工的一个实施方案中，在铜焊前，不需要手工将铜焊合金箔或糊施加到每个有穴的镶件中，或者不需要将“镶件-铜焊-坯”的整个“三明治”组件手工组装和装载到铜焊机上。应该注意到，不需要手工将铜焊箔切割成形，以仔细匹配要被铜焊的界面。

实施例。下面由图1和图2一般地示出的实施例仅表示对本发明的教导做出贡献的工作，而本发明不受以下实施例的限制。

实施例1。在这个实施例中，使用直径58mm的碳化物支撑的多晶金刚石(“PCD”)。工具坯可从俄亥俄州的Worthington的GE Superabrasive，Inc.获得，即GE Compax1500。PCD坯的碳化钨侧面用石榴石砂喷砂并用异丙醇漂洗来清洗干净。标准铜焊合金箔(49％Ag、16％Cu、23％Zn、7.5％Mn、4.5％Ni)切割成58mm直径的盘并放置到所述PCD坯的碳化物侧表面的上面。这个组件接下来被涂覆合适的助熔剂材料，以防氧化，并且感应加热到合金熔点(～650℃)以上。当铜焊合金充分液化时，停止感应加热，并且让铜焊合金冷却到室温。一旦凝固，铜焊合金被很好地结合到碳化物表面。然后，通过石榴石砂喷砂清洗铜焊涂覆的工具，并且用线EDM从所述坯切割成几种工具坯形状。

图1示出实施例1中铜焊涂覆的合金的工具坯的横截面图。从图中可以看出，合金层均匀覆盖碳化物表面，界面看上去结合良好并且连续。

实施例2。在这个实施例中，实施例1中涂覆了铜焊合金的复合体在空气中被感应铜焊，以形成完整的切削工具。应该注意到，涂覆的合金容易浸润碳化物支撑体，提供了适于使用的高强度切削工具尖端。还应该注意到，所述的铜焊方法比现有技术所预期的方法简单、快速得多，即，这样一种铜焊方法，其中铜焊合金基底用来作为界面材料。

图2是实施例2的工具的照片，即，铜焊涂覆的PCD坯被铜焊到工具后的图示。从图中可以看出，铜焊合金层均匀地覆盖碳化物表面，从而保证极佳的结合。

实施例3。盘用冷压技术将与实施例1相同类型的铜焊箔和PCD机械连接。为了便于铜焊箔的机械附着，通过线放电加工(EDM)在PCD坯的碳化物表面形成交叉阴影线图案。交叉阴影线图案通过在碳化物表面加工两组垂直线而形成。一组中的每条线深度为0.010”、宽为0.030”。这些线之间彼此平行，中心与中心间隔0.035”。第二组线是通过相对线EDM将PCD坯旋转90度并重复相同的图形而形成.。

然后，厚度为0.005”的标准铜焊箔(49％Ag、16％Cu、23％Zn、7.5％Mn、4.5％Ni)被切成直径58mm的盘并放在PCD坯的碳化物表面上面。然后，利用Carver实验室压机使用10,000lbs的压力将箔压到所述碳化物表面上。压制后，箔在交叉影线中变形成为凹槽，从而被机械附着到PCD坯。正如所期望的，实施例3的铜焊涂覆的PCD坯也便于提供有助于所述铜焊工艺的高强度的切削尖端。

尽管参照优选实施方案描述了本发明，本领域的技术人员应该理解，不脱离本发明的范围，可以作出各种变化并且其元件可以等同替换。所有在此引用的文献特别在此引入作为参考。

Claims (20)

1.一种用于工具镶件的坯，所述坯包括结合到烧结碳化物支撑体上的多晶复合体，其中所述烧结碳化物支撑体附加有铜焊合金。

2.如权利要求1所述的坯，其中所述多晶复合体包括含有立方氮化硼、金刚石或它们的混合物的硬烧结体。

3.如权利要求1所述的坯，其中所述烧结碳化物支撑体选择下列技术中的一种来附加所述铜焊合金：

a)将所述铜焊合金熔化涂覆到所述碳化物支撑体；

b)将所述铜焊合金非电镀到所述碳化物支撑体；

c)将所述铜焊合金电镀到所述碳化物支撑体；

d)将所述铜焊合金溅射涂覆到所述碳化物支撑体；

e)将所述铜焊合金物理气相沉积到所述碳化物支撑体；

f)将所述铜焊合金化学气相沉积到所述碳化物支撑体；

g)将所述铜焊合金作为铜焊箔点焊到所述碳化物支撑体；

h)将所述铜焊合金作为具有合适结合剂材料的涂料或糊刷到所述碳化物支撑体；

i)将所述铜焊合金用粘合剂以箔形式附着到所述碳化物支撑体；

j)将所述铜焊合金火焰喷射到所述碳化物支撑体；

k)将所述铜焊合金作为铜焊箔热压到所述碳化物支撑体；

l)将所述铜焊合金作为铜焊箔冷压到所述碳化物支撑体；以及

m)在熔化的所述铜焊合金中浸渍涂覆所述碳化物支撑体。

4.如权利要求1所述的超级磨料坯，其中所述烧结碳化物支撑体通过用合金组成涂覆所述烧结碳化物支撑体来附加所述铜焊合金，所述合金组成包括大约78-99.97％银、0.01-12％铜、0.01-5％镍、以及可选地0.01-5.0％硅。

5.如权利要求1所述的超级磨料坯，其中所述烧结碳化物支撑体附加的是以浆、糊、粉末、环、垫圈、盘、带或箔为形式的铜焊合金。

6.如权利要求5所述的超级磨料坯，其中所述铜焊合金是厚度范围从0.0005-0.003英寸的箔。

7.一种用于工具镶件的坯，所述坯包括结合到附加有铜焊合金的烧结碳化物支撑体的多晶复合体，其中在铜焊过程中，所述坯的附加有铜焊合金的碳化物支撑体被直接铜焊到所述工具镶件。

8.如权利要求7所述的坯，其中所述烧结碳化物支撑体选择下列技术中的一种来附加所述铜焊合金：

a)将所述铜焊合金熔化涂覆到所述碳化物支撑体；

b)将所述铜焊合金非电镀到所述碳化物支撑体；

c)将所述铜焊合金电镀到所述碳化物支撑体；

d)将所述铜焊合金溅射涂覆到所述碳化物支撑体；

e)将所述铜焊合金物理气相沉积到所述碳化物支撑体；

f)将所述铜焊合金化学气相沉积到所述碳化物支撑体；

g)将所述铜焊合金作为铜焊箔点焊到所述碳化物支撑体；

h)将所述铜焊合金作为具有合适结合剂材料的涂料或糊刷到所述碳化物支撑体；

i)将所述铜焊合金用粘合剂以箔形式附着到所述碳化物支撑体；

j)将所述铜焊合金火焰喷射到所述碳化物支撑体；

k)将所述铜焊合金作为铜焊箔热压到所述碳化物支撑体；

l)将所述铜焊合金作为铜焊箔冷压到所述碳化物支撑体；以及

m)在熔化的所述铜焊合金中浸渍涂覆所述碳化物支撑体。

9.如权利要求7所述的坯，其中所述烧结碳化物支撑体通过用合金组成涂覆所述烧结碳化物支撑体来附加所述铜焊合金，所述合金组成包括大约78-99.97％银、0.01-12％铜、0.01-5％镍、以及可选地0.01-5.0％硅。

10.如权利要求7所述的坯，其中所述烧结碳化物支撑体附加的是以浆、糊、粉末、环、垫圈、盘、带或箔为形式的铜焊合金。

11.如权利要求9所述的坯，其中所述铜焊合金是厚度范围从0.0005-0.003英寸的箔。

12.一种制造切削工具的方法，所述方法包括将坯铜焊到工具镶件的步骤，所述坯包括结合到附加有铜焊合金的烧结碳化物支撑体的多晶复合体。

13.如权利要求12所述的方法，还包括，在将所述坯铜焊到所述工具镶件之前，将所述坯成形为允许正确地将所述坯定位到所述工具镶件的几何形状的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述坯的所述成形步骤是通过放电加工、放电研磨、激光、等离子体、水喷射、以及它们的组合中的一种来进行的。

15.一种包括工具镶件和坯的切削工具，其中所述坯包括结合到附加有铜焊合金的烧结碳化物支撑体的多晶复合体。

16.如权利要求15所述的切削工具，其中所述烧结碳化物支撑体选择下列技术中的一种来附加铜焊合金：

a)将所述铜焊合金熔化涂覆到所述碳化物支撑体；

b)将所述铜焊合金非电镀到所述碳化物支撑体；

c)将所述铜焊合金电镀到所述碳化物支撑体；

d)将所述铜焊合金溅射涂覆到所述碳化物支撑体；

e)将所述铜焊合金物理气相沉积到所述碳化物支撑体；

f)将所述铜焊合金化学气相沉积到所述碳化物支撑体；

g)将所述铜焊合金作为铜焊箔点焊到所述碳化物支撑体；

h)将所述铜焊合金作为具有合适结合剂材料的涂料或糊刷到所述碳化物支撑体；

i)将所述铜焊合金用粘合剂以箔形式附着到所述碳化物支撑体；

j)将所述铜焊合金火焰喷射到所述碳化物支撑体；

k)将所述铜焊合金作为铜焊箔热压到所述碳化物支撑体；

l)将所述铜焊合金作为铜焊箔冷压到所述碳化物支撑体；以及

m)在熔化的所述铜焊合金中浸渍涂覆所述碳化物支撑体。

17.一种用于在自动铜焊机中形成切削工具的单元，所述单元包括：

a)多个坯，每个坯包括结合到烧结碳化物支撑体上的多晶复合体，其中所述烧结碳化物支撑体附加有铜焊合金；

b)多个镶件，每个镶件具有容纳每个所述坯的穴。

18.如权利要求17所述的单元，其中所述烧结碳化物支撑体附加的是以浆、糊、粉末、环、垫圈、盘、带或箔为形式的铜焊合金。

19.一种用于连续铜焊工具镶件以形成切削工具的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将包括结合到烧结碳化物支撑体的多晶复合体的坯定位在工具镶件的穴中，其中所述烧结碳化物支撑体附加有铜焊合金；

b)使定位在所述有穴的镶件中的所述坯经受足够的热能，以熔化所述铜焊合金；

c)退出在其中铜焊了所述坯的所述工具镶件；

d)对每个工具镶件重复步骤a)-c)。

20.如权利要求19的方法，其中所述烧结碳化物支撑体附加的是以浆、糊、粉末、环、垫圈、盘、带或箔为形式的铜焊合金。

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