DE2151069B2 - Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung

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Description

das Gewicht ausgedrückt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Al-Si-Mg-Gußlegierung, die 5 bis 30% Silicium und J bis 15% Magnesium enthält, verwendet werden. Andere ähnliche Legierungen, die zusätzlich zu den oben erwähnten Elementen einige Prozente eines anderen Elements oder anderer Elemente, beispielsweise Kupfer, enthalten, können für den gleichen Zweck verwendet werden. Im Laufe der Herstellung dieser Legierungen werden bei ausreichendem Magnesiumgehalt feine Teilchen aus Magnesiumsilicid Mg>Si gebildet, und sie liegen einheitlich dispergiert in der Lösung vor, wie aus Fig. 1 (Bezugszeichen 3) ersichtlich ist. Der Durchmesser derartiger Teilchen liegt ungefähr zwischen 5 und 100 μΐη.
Wenn die Fläche eines geformten Gegenstands, wie eines Motorenzylinders bzw. Maschinenzylinders oder dessen Laufbuchsen, die durch Gießen der oben erwähnten Legierung hergestellt wurden, maschinell bearbeitet werden, so wird eine glatte Reibfläche 1, wie sie in Fig. I dargesielli is!, gebildet, und einige der feinen Teilchen 3 aus Magnesiumsilicid, die in der Oberflächenschicht 2 vorhanden sind, sind an der Überfläche exponiert. Wenn die exponierten Teilchen durch chemische Behandlung entfernt werden, verbleiben zahlreiche feine Hohlräume 3,i auf der Oberflächenschicht 2. Verwendet man diese Hohlräume als öllager, so wird der Verschleißwiderstand der Reibfläche bemerkenswert verbessert.
Um die Oberfläche chemisch zu waschen, verwendet JO man eine wäßrige Lösung einer anorganischen Säure, wie Salpetersäure, Chromsäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure oder Phosphorsäure in geeigneten Konzentrationen. Verwendet man eine oxydierend wirkende Säure, so wird die Oberfläche der Aluminium- J"> legierung durch dieses Waschen passiviert, und die Aluminiumlegierung löst sich selbst nicht in dem oben erwähnten Waschmittel. Verwendet man eine nicht oxydierend wirkende Säure, so löst sich die Fläche der Aluminiumlegierung geringfügig in der Waschlösung. Da jedoch die Auflösegeschwindigkeit von Magnesiumsilicid wesentlich größer ist als die der Aluminiumlegierung, treten dadurch keine Probleme auf. Es können andere Teilchen aus Siliciummetall oder anderen intermetallischen Verbindungen außer Magnesiumsilicid, die an der Oberfläche exponiert sind, vorhanden sein. (Diese Metalle sind in der Zeichnung nicht dargestellt). Diese Metalle lösen sich ebenfalls in dem Waschmittel nicht. Die Zeit, die für das Waschen nötig ist, hängt gemäß der Art und der Konzentration der verwendeten Säure ab.
Um zu bewirken, daß die feinen Hohlräume in der Reibfläche als öllager bzw. ölpool wirken, muß der Oberflächenbereich der exponierten Hohlräume 5 bis 50% des gesamten Bereichs der Reibfläche ausmachen.
Weiterhin müssen die feinen Hohlräume einen geeigneten Größenbereich besitzen. Man hat gefunden, daß man die beste Schmierung erreichen kann, wenn die Hohlräume eine Größe im Bereich von 10 bis 50 μηι besitzen. Man hat ebenfalls gefunden, daß innerhalb des f>o oben erwähnten Anteilbereichs von Silicium und Magnesium in der Aluminiumlegierung zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird als Substanz für die feinen Teilchen, die in der ·>·> Metallmatrix dispergiert sind, anstelle von Magnesiumsilicid Bleidichlorid verwendet. In diesem Fall kann man jede Aluminiumgußlegierung verwenden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Aluminiumlegierung geschmolzen; zu der Schmelze fügt man bei einer Temperatur unter 800"C 2 bis 10% feine Teilchen aus Bleidichlorid (PbCI2) und rührt die Schmelze gut, um eine gleichmäßige Dispersion der zugefügten Teilchen zu erreichen. Da die Dichte von Bleidichlorid größer ist als die der Aluminiumlegierung muß die Schmelze gut gerührt werden, sonst setzen sich die Teilchen ab. Es muß beachtet werden, daß Bleidichlorid durch Zersetzung, wenn es auf eine Temperatur von 800"C oder höher erwärmt wird, zu metallischem Blei reduziert wird. Wenn die zugefügte Menge an Bleidichlorid geringer als 2% ist, wird der Verschleißwiderstand nicht bemerkenswert erhöht. Wenn andererseits die zugefügte Bleidichlorid-Menge mehr als 10% beträgt, setzt sich die Bleidichlorid-Menge über 10% auf dem Boden des Reaktionsgefäßes ab. Die Größe der dispergierten Teilchen beträgt ungefähr 30 μπι.
Die geschmolzene Aluminiumlegierung, die dispergierte Bleidichloridteilchen enthält, wird vergossen, und die Reibflächen werden durch Bearbeiten geglättet, wobei man eine Reibfläche erhält, in der einige feine Bleidichloridteilchen freigelegt werden, genau wie im Falle der ersten erfindimgsgemäßen Ausführungsform. In diesem Fall werden die Teilchen ebenfalls durch 3 in Fig. 1 dargestellt. Diese Oberfläche wird mit derselben wäßrigen Lösung einer anorganischen Säure, wie oben angegeben, oder mit heißem Wasser von ungefähr 60°C gewaschen. Das Bleidichlorid, das die Teilchen bildet, wird von der Oberflächenschicht entfernt, da es sich in der Waschflüssigkeit löst. So werden auf gleiche Weise, wie bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform öipools bzw. öllager gebildet.
Bei einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein bekanntes Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen verbunden. Verfahren, um die Zylinder und Ringoberflächen zu verbessern, sind bekannt. Ein Verfahren besteht darin, daß man die Kontaktflächen der Zylinder und Kolbenringe, die aus gegossenem Eisen bestehen, schleift und hont. Diese Verfahren wurden jedoch nicht wirksam für Gegenstände verwendet, die aus Aluminiumlegierung hergestellt sind. Verwendet man jedoch ein solches Verfahren zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, so wird die Abnutzungsfestigkeit der Reibfläche aus Aluminiumlegierung wesentlich verbessert.
In Fig. 2 ist eine solche Kombination dargestellt. Zuerst wird die Reibfläche eines Gegenstands, der aus Aluminiumlegierung hergestellt ist, mit einem groben Schleifstein an den Enden gehont. Dadurch werden zahlreiche parallele Rillen 4 mittlerer Größe gebildet, die eine Tiefe von 10 bis 20 μηι besitzen. In einigen Fällen kann man auf der Reibfläche mit einer Drehbank oder anderen Werkzeugmaschinen schraffierte, schraubenförmige Nuten 5 als große Aussparungen, die ungefähr 20 μιη tief sind, erzeugen. Gewünschtenfalls kann man Aussparungen kleinerer Größe 6, die eine Tiefe von 5 bis 7 μιη besitzen, in einer Richtung erzeugen, die sich von den zuvor hergestellten Aussparungen mittlerer Größe unterscheidet, indem man einen feinen Schleifstein verwendet. Der Winkel zwischen den Aussparungen und dem Querschnitt des Zylinders beträgt beispielsweise 40° für die Aussparung mittlerer Größe unf 60° für die Aussparung kleiner Größe; die Wirkung ist stärker, wenn der Winkel der kleinen Aussparung größer ist als der der Aussparungen mit mittlerer Größe.
Diese Aussparungen stehen in Verbindung mit den
kleinen Räumen, die durch die dispergierten Teilchen 3 aus Magnesiumsilicid oder Bleidichlorid gebildet werden und die erfindungsgemäß hergestellt wurden. Eine so präparierte Oberflächenschicht wird mit irgendeinem der oben beschriebenen Mittel gewaschen, die exponierten Teilchen werden aus den Aussparungen und den Räumen entfernt, und so ölpools mit vergrößertem und verändertem Hohlraum, wie in Fig. 2 gezeigt ist, hergestellt. Wie in der US-PS 33 33 579 beschrieben ist, wirken diese Aussparungen nicht, wenn sie allein an der Reibfläche eines Motorzylinders, der aus Aluminiumlegierung hergestellt wurde, vorhanden sind, aber die Aussparungen, zusammen mit den feinen Löchern, wie oben beschrieben, liefern einen verbesserten Vcrschleißwiderstand der reibenden Oberfläche.
Die Erfindung kann ebenfalls auf folgende, modifizierte Weise durchgeführt werden. Wird eine bearbeitete Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung behandelt, die ein wasserlösliches Metallsalz enthält, dessen lonisationsneigung geringer ist als die von Aluminium, werden nicht nur die exponierten Magnesiumsilicid- oder Bleichloridteilchen entfernt, sondern das Metall des zugefügten Salzes scheidet sich auf der Oberfläche und auf der inneren Fläche von Nuten und Aussparungen aus. Salze, die für diesen Zweck geeignet sind, sind wasserlösliche Salze von Fe, Zn, Mn, Mo, Pb, Sn, B usw. Bevorzugte Konzentralionen solcher Salze in den Waschlösungen sind IO bis 50%. Die Höhlungen ujd Aussparungen, die so gebildete poröse metallische Abscheidungen enthalten, ergeben einen verbesserten Vcrschleißwiderstand der reibenden Fläche.
Erfindungsgemäß kann der Verschleißwiderstand einer reibenden Fläche von Gegenständen aus Aluminiumlegierung durch ein sehr einfaches Verfahren verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt besonders bei der Herstellung von Motorzylindern und Auskleidungen aus Aluminiumlegierung große Bedeutung.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Zylinderbuchsen für Automobile wurden gegossen, wobei man eine Legierung aus 20% Si, 5% Mg, 4% Cu und Al als Rest verwendete. Die mikroskopische Untersuchung der inneren Oberfläche der Maschinenteile zeigte, daß der durchschnittliche Durchmesser der exponierten Teilchen aus Mg2Si 20 μηι und die gesamte Oberfläche der exponierten Teilchen ungefähr 30% betrug, bezogen auf die gesamte Oberfläche. Wurde die Innenfläche der Zylinder mit einer 25%igcn wäßrigen Lösung von Salpetersäure während 20 Minuten gewaschen, so wirdc fast das gesamte, exponierte Magnesiumsilicid entfernt.
Diese Laufbuchsen wurden in einen Automotor mit Luftdruckkühlung eingebaut. Die Daten der Maschine waren folgende: 2 Zylinder, 4 Takle, Bohrung 62,5 mm, Hub 57,8 mm, Gesamthubraum 354 cm1 und Kompressionsverhältnis 8,5. Mit diesem Motor wurde ein kontinuierlicher Versuch auf dem Versuchsstand durchgeführt, wobei man folgende Bedingungen wählte: 7500 llpm.Voll-Last und 200 Std.(IOStd./Tag).
Nach Beendigung des Versuchs betrug der durchschnittliche Abrieb des Zylinders 17μιη, und man beobachtete auf den Zylinderflächen weder Fressen noch Riefen. Diese Zylinder aus einer Aluminiumlegierung sind weder den bekannten gegossenen Eiscnzylindern noch chromplaltierten, porösen Zylindern unterteilen.
Beispiel 2
Zu der Schmelze einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliciumgehalt aus 20% Si, 4% Cu, 1% Fe, 1% Mn und Al als Rest gab man 5% feines Pulver aus PbCI2 und rührte gut bei 8000C; dann goß man aus dieser Schmelze Zylinderbuchsen für Automobile. Die Gußstücke wurden in heißes Wasser von 80°C während 30 Minuten eingetaucht, wodurch die innere bearbeitete Fläche zahlreiche kleine Löcher erhielt. Die mikroskopische Untersuchung zeigte, daß der durchschnittliche Durchmesser dieser Löcher 25 μπι, die durchschnittliche Tiefe 20 μηι und die gesamte Fläche dieser Löcher etwa 20% bezogen auf die gesamte Oberfläche, betrug.
Diese Buchsen wurden iin gleichen Versuch wie in Beispiel 1 getestet, wobei der durchschnittliche Abrieb der Zylinder 18 μηι betrug und man auf den Zylinderflächen weder Riefen noch Fressen beobachtete.
Beispiel 3
Zylinderauskleidungen für Automobile wurden aus einer Aluminiumlegierung aus 20% Si, 4% Cu, 6% Mg, 2% Mn und Al als Rest gegossen und die inneren Flächen maschinell so bearbeitet, daß bestimmte Dimensionen erhalten wurden. Auf diesen Oberflächen waren zahlreiche exponierte Teilchen aus Mg2Si unter den gleichen Bedingungen, wie in Beispiel 1 beschriebcn. vorhanden.
Auf der Innenfläche dieser Auskleidungen wurden eine Vielzahl von Aussparungen mittlerer Größe, die ungefähr 200 μηι tief waren, hergestellt, indem man mit einem 120 !-Schleifstein in einer Richtung von 40' zum Querschnitt der Auskleidung schliff. Weiterhin wurden eine Vielzahl kleiner Aussparungen hergestellt, die ungefähr 7 μηι tief waren, indem man mit einem 600 J-Schlcifstein in einer Richtung von 60" zum Querschnitt der Auskleidung schliff, wobei man die Aussparung minierer Größe übcrkreuzte. Danach wurden die Innenflächen durch leichtes Läppen fertig bearbeitet.
Die so hergestellten Reibflächen mit Aussparungen an der Auskleidung wurden mit einer 25%igen wäßrigen Lösung aus Salpetersäure während 2C Minuten behandelt und dann mit Wasser gewaschen.
Diese Auskleidungen wurden im gleichen Versuch wie in Beispiel 1 getestet, wobei der durchschnittliche Abrieb der Zylinder 15μηι betrug und man auf der Zylinderflächen weder Riefen noch Fressen beobachte te.
Beispiel 4
w Die innere Fläche einer gegossenen Zylinderbuchse hergestellt wie in Beispiel 2, wurde weiter mit cinci Vielzahl von Aussparungen mittlerer Größe mit einei Tiefe von 10 bis 20 μ in in einer Richtung von 40" zu it Querschnitt der Buchse verschen, in dem man mit einen
"» 200 !-Schleifstein schliff; weiterhin wurden eine Vicl/ah kleiner Aussparungen mit einer Tiefe von 6 bis 7 μίτι ίι einer Richtung von 60° zum Querschnitt der Buchse um überkreuz zu den Aussparungen mittlerer Größi angebracht, indem man mit einem Schleifstein von 600
'·' schliff; dann wurden die Flächen leicht gelappt.
Die so hergestellten Gleitflächen mit Aussparunger der Buchse wurden in heißem Wasser von 80"C eingetaucht und danach mit Wasser gewaschen.
Die Buchsen wurden in einen wassergekühlten Motor eingebaut. Der Motor hatte die folgenden Daten:
4 Zylinder, 4 Takte, Bohrung 70 mm, Hub 76 mm Gesamthubraum 1,169Cm1 und Komprcssionsvcrliältnis 8,6. Dieser Motor wurde kontinuierlich auf dem Versuchsstand bei folgenden Bedingungen laufengelassen: 5500 Upm, Vollast und 200 Std. (8 Std./Tag). Nach Beendigung des Versuches betrug der durchschnittliche Abrieb des Zylinders 13,5 μιη und an den Reibflächen beobachtete man weder Fressen noch Riefen.
Beispiel 5
Motorauskleidiingen wurden hergestellt, indem man das Verfahren von Beispiel J wiederholte mit der
Ausnahme, daß man eine 25%ige wäßrige Lösung vor Salpetersäure, die 20% Eisen-Ill enthielt, als Waschlö sung verwendete. Man schliff und polierte auf gleicht Weise, wie in dem Beispiel beschrieben.
Diese Auskleidungen wurden in einen Aulomolor wie in Beispiel 1 eingebaut, und der gleiche Versuch au dem Prüfstand wurde durchgeführt. Nach Beendigung des Versuches betrug der durchschnittliche Abrieb dci Auskleidung 11,5 μιη und man beobachtete an der Reibflächen weder Riefen noch Fressen.
Für Vergleichs/wecke wurden bekannte, gegossene Fjsenauskleidungcn. an deren Oberfläche abgeschliffene Aushöhlungen vorhanden waren, auf gleiche Weist untersucht. Man stellte fest, daß der durchschnittlicht Abrieb 20.5 μιη betrug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstandes aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierungsschmelze aus 5 bis 30% Silicium, 3 bis 15% Magnesium und Aluminium als Rest mit darin dispergierten Teilchen von Magnesiumsilicid mit to einer Teilchengröße von 10 bis 50 μίτι
zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist, und daß die exponierten Magnesiumsilicidteilchen aus '5 der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zuiückbleib-jn, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche ausmacht. M
2. Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche, dadurch gekennzeichnet,
daß Bleidichloridteilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 50 μιπ in einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in einer Menge von 2 bis 10%, bezogen auf das Gewicht der Legierung, dispergiert werden, daß diese Legierungsschmelze zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibungsfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist, und daß die exponierten Bleidichloridteilchen aus der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung oder mit Wasser, das auf eine Temperatur von 60 bis 80°C erhitzt ist, herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zurückbleiben, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche ausmacht.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ^0 gekennzeichnet, daß die exponierten Teilchen mit Salpeter-, Chrom-, Schwefel-, Chlorwasserstoffoder Phosphorsäure herausgelöst werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleidichloridteilchen bei einer Schmelzetemperatur von weniger als 8000C in Aluminium dispergiert werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche gehont wird, wobei eine Vielzahl von Aussparungen mit einer Tiefe von 5 bis 20 μηι gebildet wird, die mit einer Anzahl der dispergierten Teilchen in der Reibflächenschicht des Formkörpers verbunden sind.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierten Teilchen mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, die ein Metallsalz enthält, dessen Metallkomponente eine kleinere Ionisationsneigung besitzt als das Aluminium, wodurch auf den Flächen der Hohlräume eine feine Metallabscheidung gebildet wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit einer Säurelösung herausgelöst werden, in der die Metallkomponente des Metallsalzes Eisen, Zink, Mangan, Molybdän, Μ Nickel, Blei, Zinn oder Bor ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche gemäß den Patentansprüchen. Das Verfahren ist besonders für die Innenseiten von Motorenzylindern oder deren Laufbuchsen, die aus einer Al-Si-Mg-Legierung bestehen, geeignet.
In den letzten |ahren wurden ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um Aluminiumlegierungen als Materialien in Brennkraftmaschinen zu verwenden mit dem Ziel, Maschinen bzw. Motoren mit leichtem Gewicht zu erhalten. Solche Legierungen zeigen jedoch einen zu schlechten Verschleißwiderstand, um als innere Fläche eines Zylinders oder als Laufbuchsenfläche verwendet zu werden. Die innere Fläche einer Laufbuchse wird heute durch eine Laufbuchse aus gegossenem Eisen verstärkt, wodurch das Gewicht der Maschine bzw. des Motors unnötig erhöht wird. Man hat auch versucht, auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen poröses Chrom elektrisch abzuscheiden, aber' das Verfahren dafür isl zu komplizier! und daher praktisch nicht nützlich.
In der US-PS 33 33 579 wird ein Verfahren beschrieben, um den Verschleißwiderstand von Reibflächen aus einer hypereutektischen Silicium-Aluminium-Legierung zu verbessern. Dieses Verfahren besteht darin, daß man im wesentlichen Aluminiummetall aus der oberen Schicht eines Gegenstandes, der aus einer hypereutektischen Legierung aus Silicium und Aluminium besteht, durch mechanische oder chemische Verfahren entfernt, wobei Teilchen aus Silicium aus der Legierungsfläche herausragen und wobei man bei diesem Verfahren dann die überstehende Siliciumschicht poliert. Dieses Verfahren ist jedoch nur für hypereutektische Silicium-Aluminium-Legierungen anwendbar. Da die Menge an Silicium, die an der Oberfläche exponiert ist, in Abhängigkeit von dem Abnutzungsgrad des Aluminiums variiert, ist die Qualitätskontrolle der resultierenden Oberflächen-Beschaffenheit sehr schwierig. Weiterhin sind schwierige Verfahren erforderlich, um die exponierten Siliciumvorsprünge zu glätten.
Im Gegensatz dazu läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren !sieht und wirkungsvoll ausführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierungsschmelze aus 5 bis 30% Silicium, 3 bis 15% Magnesium und Aluminium als Rest mit darin dispergierten Teilchen von Magnesiumsilicid mit einer Teilchengröße von 10 bis 50 μηι
zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist und
daß die exponierten Magnesiumsilicidteilchen aus der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zurückbleiben, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche ausmacht.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnung, in der eine spezifische Ausführungsform dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. I ist ein vergrößerter, schematischer Querschnitt einer Reibfläche gemäß einer erfindungsgemä-Qen Ausführungsform;
Fig. 2 ist ein anderer, vergrößerter schematischer Querschnitt der Reibfläche einer modifizierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In der folgenden Beschreibung sind alle Teile und Prozentgehalte, wenn nicht anders angegeben, durch
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