DE3303291C2 - Verfahren zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug vor der Vakuum-Plasma-Auftragung eines verschleißfesten Überzuges auf dieses in der Luft bis zu einer Temperatur von 130-560°C bis zur Herstellung einer Oxydationsschicht an der Oberfläche des Werkzeuges mit einer Dicke von 200-10000 Å erhitzt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit verschleißfesten
Überzügen, beispielsweise aus Carbiden oder Nitriden durch reaktive Vakuumverdampfung.
Dieses Verfahren kann eine breite Anwendung in der Produktion von beliebigen Arten der Schneidwerkzeuge
finden.
Es ist ein Verfahren zur Verfestigung von Schneidwerkzeugen durch Auftragen von Überzügen auf
Werkzeuge bekannt, welches darin besteht, daß man die Werkzeuge in eine Vakuumkammer einsetzt und bis zu
einer Temperatur von 400—500° C mittels einer Gleichstromquelle
erhitzt, einen Titanverdampfer einschaltet und Stickstoff in die Kammer einläßt, wobei der Druck
in der Kammer von etwa 1 · 10~3 mbar aufrechterhalten wird (s. z. B., L. M. Dzhalamanowa »Fortschrittliche
Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Überzügen an Schneidwerkzeugen«, im Sammelband »Technologie
der Produktion sowie wissenschaftliche Arbeits- und Leitungsorganisation«, H. H, 1979, M). An den
Werkzeugen setzt sich ein harter verschleißfester Überzug aus Titannitrid ab. Die Standzeit der Werkzeuge
wird um ein Mehrfaches erhöht. Ein solches Verfahren zur Verfestigung gewährleistet jedoch keine hohe Adhäsion
zwischen dem Überzug und den Werkzeugen, und durch die Abtrennung des Überzuges von den
Werkzeugen wird die Arbeitsfähigkeit derselben vermindert.
Es ist außerdem ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Schneidwerkzeugen aus Schnellstählen bekannt,
das eine Vakuum-Plasma-Auftragung eines Oberzuges (Kondensation in Gegenwart von Ionenbeschuß)
umfaßt (SU-Urheberscheinschrift Nr. 6 07 659).
Bei der Durchführung dieses Verfahrens setzt man das Schneidwerkzeug in eine Vakuumkammer ein, die
bis zur Herstellung eines Hochvakuums evakuiert wird, wonach dem Werkzeug eine negative Spannung von
1—2 kV zugeführt und ein Vakuumbogenverdampfer eingeschaltet werden. Das Werkzeug wird durch den
Beschüß mit Titanionen erhitzt, die bis zu einer Energie
von 1—2 kV durch ein negatives Potential beschleunigt wurden; es findet eine Reinigung der Oberfläche des
Werkzeuges durch lonenbeschuß innerhalb von 3—5 min statt Nach dem lonenbeschuß wird die Spannung
am Träger auf 100—250 V vermindert, und es wird in die Kammer Stickstoff bei einem Druck von
2,610~3 mbar eingelassen. Dabei läßt man sich an dem
Werkzeug eine Titannitridschicht mit einer Mikrohärte von etwa 25 000 N/mm2 absetzen. Nach 5 bis 7 min wird
der Druck in der Kammer bis auf 3.910-5 Torr vermindert,
2 bis 3 min gehalten, wobei sich eine Schicht mit einer Mikrohärte von etwa 7000 N/mm2 absetzt Indem
man abwechselnd den Stickstoffdruck in der Kammer ändert, läßt man sich einen Überzug absetzen, der
Schichten mit unterschiedlicher Mikrohärte enthält Solche Schichten haben sich unter den Bedingungen der
Mikroschläge und Schwingungen gut bewährt, weisen eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beim
Nachschleifen auf, sind durch eine gute Adhäsion gekennzeichnet.
Eine Ursache für die Zerstörung von verschleißfesten Schichten aus Titannitrid, die nach dem bekannten Verfahren
hergestellt wurden, bei der Metallzerspanung bilden Erhitzung, Entfestigung sowie plastische Verformung
des Grundkörpers des Schneidwerkzeuges in der Zerspanungszone durch die Wärme, die sich bei der
Reibung entwickelt.
Obwohl ein Teil der sich bei der Zerspanung entwikkelnden Wärme zusammen mit Spänen weggetragen
wird, wird ihr größter Teil durch den Überzug infolge eines guten Wärmekontaktes zwischen dem Überzug
und dem Grundkörper des Werkzeuges sowie auch infolge einer ausreichend hohen Wärmeleitfähigkeit des
Titannitrides auf den Grundkörper des Werkzeuges übertragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von
Schneidwerkzeugen aus Schnellstählen oder Hartlegierungen zu schaffen, bei dem die Möglichkeit einer Beschädigung
der Schneiden des Werkzeuges bei dessen Herstellung ausgeschlossen ist und das es gestattet, einen
verfestigten Überzug herzustellen, der den Grundkörper eines Schneidwerkzeuges vor der zerstörenden
Einwirkung der Wärme schützt, die sich bei der Reibung in der Zerspanungszone entwickelt.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens von Patentanspruch 1 gelöst.
Im folgenden wird die Erfindung zunächst durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und die beigefügte
Zeichnung erläutert, in der eine Kennlinie dargestellt ist, die die Abhängigkeit des relativen Koeffizienten
K der Standzeit des Werkzeuges (an der Ordinatenachse bezeichnet) von der Temperatur T° C der Vorvergütung
(an der Abszissenachse bezeichnet) veranschaulicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, ein
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, ein
Werkzeug herzustellen, das ein Mittel zum Schutz des Grundkörpers des Werkzeuges vor der zerstörenden
Einwirkung der Wärme aufweist, die durch die Reibung in der Zerspanungszone erzeugt wird. DurrJi eine Verkürzung
der Erhitzungszeit des Werkzeuges durch lonenbeschuß vor der Auftragung des Oberzuges werden
eine Erhöhung der Standzeit des Werkzeuges und eine Verkürzung der Herstellungsdauer gewährleistet
Nach dem Entfetten und Waschen werden die Schneidwerkzeuge in einem Trockenschrank in der Luft ι ο
bis zu einer Temperatur von 130—5600C erhitzt und bei
dieser Temperatur innerhalb von 1—60 min in Abhängigkeit von der Masse des Werkzeuges gehalten. Die
untere Grenze des Temperaturbereiches und der Haltezeit wird durch die Bildung einer Oxidationsschicht be- is
stimmt, und die obere Grenze ist mit einer Vergrößerung der Dicke der Oxidationsschicht und mit einer Verminderung
der Festigkeit derselben verbunden.
Als ein Kriterium für eine ausreichende Erhitzung dient die Dicke der Oxidationsschicht, die an der Oberfläche
des Werkzeuges gebildet wird; diese Dicke soll in einem Bereich von 0,02—1 μΐπ liegen. Die herzustellende
Oxidationsschicht weist einen hohen Adhäsionsgrad an der Werkzeugoberfläche auf.
Dann setzt man die Werkzeuge in die Vakuumkammer ein, die bis zu einem Druck von 1,3 · 10~5 bis
3,9 · ΙΟ-5 mbar evakuiert wird, an das Werkzeug wird
eine negative Spannung von 1 —2 kV angelegt und ein Titanverdampfer eingeschaltet. Mit den durch die negative
Spannung beschleunigten Titanionen wird die Oberfläche des Werkzeugs beschossen, wobei sie gereinigt
und erhitzt wird. Nach 2 bis 5 min wird die Spannung auf 200—500 V vermindert. In der Kammer wird
anschließend ein Stickstoffdruck von 1,3 · 10~3 bis 3,9 · ΙΟ-3 mbar aufrechterhalten und Titannitridschichten
innerhalb von 5 bis 7 min abgeschieden. Dann wird der Stickstoffdruck in der Kammer bis auf
1,04 · ΙΟ-4 mbar vermindert. Bei diesem Druck wird eine
weitere Titannitridschicht innerhalb von 2 bis 3 min
abgeschieden und der Druck erneut erhöht, wobei diese Arbeitsgänge 6- bis lOmal wiederholt werden.
Die zwischen dem verschleißfesten Überzug und dem Grundkörper des Werkzeuges angeordnete Oxidationsschicht weist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, verhindert
ein Eindringen der Wärme, die sich bei der Zerspanung entwickelt, zu dem Werkzeug-Grundkörper,
trägt zur Schaffung eines Temperaturgradienten in den dünneren Oberflächenschichten bei, und erhöht auf diese
Weise den Wärmeanteil, der mit Spänen weggetragen wird. Das führt zu einer Verminderung der Wärmebelastung
des Werkzeuggrundkörpers und zu einer Erhöhung der Standzeit des Werkzeuges unter gleichen
Zerspanungsbedingungen. In F i g. 1 ist eine bei Laborversuchen erhaltene Kennlinie dargestellt, die eine Abhängigkeit
des relativen Koeffizienten K der Standzeit eines Werkzeuges von der Temperatur der Vorvergütung
des Werkzeuges in der Luft innerhalb von 30 min und von der Dicke der Oxidationsschicht veranschaulicht,
wobei der Koeffizient K ein Verhältnis der Standzeitperiode der Langdrehmeißel aus einem Stahl, der
0,4-0,5% C, 0,17-0,3% Si und 0,5-0,8% Mn enthält, unter den Zerspanungsbedingungen: V - 50 m/min,
5=15 mm/Um, t = 9,5 mm bedeutet.
Das zu untersuchende Werkzeug wurde aus der beschriebenen Schmelze hergestellt. Jeder Punkt der
Kennlinie ist das Ergebnis einer statistischen Auswertung eines Versuchs an 5 Meißeln.
Eine Vergütung der Werkzeuge im oben angegebenen Temperaturbereich und im Hochvakuum, bei dem
sich keine Oxidationsschicht bildet, hat zu keiner relativen Vergrößerung der Standzeit der Werkzeuge geführt
Eine Erhitzung der Werkzeuge unmittelbar vor dem Einsetzen derselben in die Vakuumkammer weist zusätzliche
Vorteile auf. Bei der Hartstoffbeschichtung der Werkzeuge, wie Formmeißel, Stößel, insbesondere beim
Einsetzen von größeren Mengen der Werkzeuge unter Drehung, dauert die Erhitzung des Werkzeuges in der
Vakuumkammer bis zur erforderlichen Temperatur von 450—5300C 25 bis 30 min, wodurch eine Überhitzung
der Schneiden möglich wird, die Reinheit der Arbeitsflächen vermindert und die Dauer des Verfahrens vergrößert
werden.
Durch eine Vergütung der Werkzeuge unmittelbar vor dem Einsetzen wird die Zeit der Erhitzung von
Werkzeugen bis zu 5—8 min verkürzt, wodurch die Möglichkeit für ein Stumpfwerden und Glühen der
Schneiden der Werkzeuge bei der Erhitzung durch Ionenbeschuß ausgeschlossen wird. Außerdem lassen sich
von einem vorherig erhitzten Werkzeug leichter Feuchtigkeit und verschiedene Gase desorbieren, was zu einer
Verkürzung der für die Herstellung eines Hochvakuums erforderlichen Zeit beiträgt
Im folgenden werden weitere Beispiele erläutert:
Die Abstechdrehmeißel aus einem Stahl, enthaltend 6% W, 5% Mo und 0,8— 1 % C, wurde mit Benzin gewaschen,
mit einem mit Alkohol getränkten Tuch gewischt, in Kassetten mit je 25 Stück eingesetzt und in einen
Trockenschrank gebracht, der bis zu einer Temperatur von 3000C erhitzt worden war. Am Werkzeug war ein
Thermoelement zur Überwachung der Temperatur des Werkzeuges angebracht. Beim Erreichen einer Temperatur
von etwa 280° C wurden die Kassetten mit den Werkzeugen aus dem Schrank herausgenommen und an
einem Meißel die Oxidationsschicht kontrolliert. Die Kassetten mit den Werkzeugen wurden an einer Drehvorrichtung
in einer Vakuumkammer angeordnet, die Kammer geschlossen und bis zu einem Druck von
2,6 · 10-5mbar evakuiert. An die Drehvorrichtung mit
den Werkzeugen wurde eine negative Spannung von 1,1 kV angelegt. Dann wurden die Drehvorrichtung und
anschließend zwei Lichtbogenverdampfer eingeschaltet, wobei in jedem von diesen ein Bogenstrom von 90 A
eingestellt wurde. Die Temperatur des Werkzeuges wurde während des Ionenbeschusses mit einem Infrarot-Pyrometer
überwacht. Nach dem Erreichen einer Temperatur von 450° C, was etwa nach 7 min geschehen
war, wurde an dem Werkzeug eine Spannung von 250 V eingestellt. Man schaltete den dritten Verdampfer ein
und stellte einen Stickstoffdruck von 2,6 · 10-3mbar
ein. Nach 7 min verminderte man den Stickstoffdruck in der Kammer auf 1,04 · ΙΟ-" mbar, hielt den Druck auf
diesem Stand innerhalb von 3 min und erhöhte diesen erneut bis zu einem Wert von 2,6 ■ 10-J mbar: die genannten
Arbeitsgänge zur Änderung des Druckes in der Kammer wurden lOmal wiederholt. Dann wurde abgekühlt,
die Kammer geöffnet und die Werkzeuge herausgenommen.
Di? Dicke der Oxidationsschicht, die an einem Kontrollmeißel mittels eines optischen Interferometers gemessen
wurde, betrug 0,08 μΐη.
Die Standzeit der Meißel bei der Bearbeitung eines Stahls, der 0.95-1.05% C. 0,17-0,37% Si, 0,2—0.4%
Mn und 1,3—1,65% Cr enthielt an einem Sechsspindelautomaten Arbeitsgänge zum Abschneiden des Innenringes
eines Kugellagers, entsprach im Durchschnitt der Bearbeitung von 1000 Teilen, während dieselben Meißel
mit einem ähnlichen Überzug, jedoch ohne die Oxidationsschicht, eine durchschnittliche Standzeit besaßen,
die der Bearbeitung von 800 Teilen entsprach.
Ein Los von 30 Bohrern mit einem Durchmesser von 0 5 mm aus einem Stahl, der 6% W, 5% Mo und
0,8—1% C enthielt, wurde vor der Auftragung eines Überzuges wie folgt bearbeitet: Waschen in Benzin und
Trocknen durch Abblasen mit vorgewärmter Luft, wonach die Bohrer in einer Lösung, enthaltend 100 ml
Wasser, 20 g Na2CO3, 20 g Na3PO4, die bis zu einer
Temperatur von 50—60cC erwärmt und in einer Ultraschall-Wanne
3 min beschallt wurden. Dann wurden die Bohrer mit fließendem Wasser gewaschen und anschließend
durch Eintauchen in destilliertes Wasser gespült, wonach sie zuerst durch Eintauchen in Alkohol und Abblasen
mit Druckluft getrocknet wurden.
Das Los wurde in sechs Gruppen mit je fünf Bohrer unterteilt. Die Bohrer wurden in Trockenschränken in
der Luft bis zu unterschiedlichen Temperaturen innerhalb verschiedener Zeiten (s. Tabelle I) erhitzt. Fünf
Bohrer aus dem Los wurden keiner Erhitzung unterzogen. Anschließend wurden die Bohrer gleichzeitig in
eine Vakuumkammer eingesetzt, und auf deren Oberfläche ein verschleißfester Überzug aus Titannitrid gemäß
Beispiel I, jedoch bei einem konstanten Stickstoffdruck von 3,9 · 10~3bis6,5 · 10~3 mbar aufgetragen.
r,°c
r, min
Λ, nm
Nr. -
T
-
τ
—
h
-
η
—
K -
130
150
225
300
350
150
225
300
350
60
40
35
60
60
40
35
60
60
250
1000
1040
403 465 558 465 372
Nummer der Gruppe von Bohrern. Temperatur der Erhitzung der Bohrer.
Zeit der Erhitzung.
Dicke der Oxidationsschicht Anzahl der ausgeführten Bohrungen im Durchschnitt für fünf Bohrer.
Dicke der Oxidationsschicht Anzahl der ausgeführten Bohrungen im Durchschnitt für fünf Bohrer.
Koeffizient einer relativen Erhöhung der Standzeit der Bohrer.
Die Prüfungen der Bohrer auf Standzeit wurden an einer Senkrechtbohrmaschine beim Abbohren der Bohrungen
in einem Stahl, der 0,4-04% C, 0,17-037% Si und 0,5—0,8% Mn enthielt, unter folgenden Bedingungen
durchgeführt: V =45 m/min; 5 =0,18 mm/Um; Bohrtiefe t = 15 mm. Als Kriterium zur Bewertung des
Stumpfwerdens wurde das Knarren der Bohrer verwendet In der Tabelle I sind Angaben über Temperatur und
Zeit der Erwärmung der Bohrer in der Luft vor der Auftragung des Überzuges, Dicke der Oxidationsschicht und die Ergebnisse der Prüfungen der Bohrer
auf Standzeit enthalten.
Der Koeffizient K entspricht einem Verhältnis zwischen der Anzahl der Bohrungen die mittels der Bohrer
mit einem Überzug ausgeführt wurden, die vorher vor der Auftragung des Überzuges einer Erhitzung unterzogen
wurden, und der Anzahl der Bohrungen, die mittels ähnlicher Bohrer mit einem Überzug ausgeführt wurden,
die vorher nicht erhitzt worden waren.
Die Anzahl der Bohrungen, die mittels der Bohrer mit einem verschleißfesten Überzug aus Titannitrid, welche
vor der Auftragung des Überzuges einer Erhitzung nicht unterzogen wurden, ausgeführt wurden, betrug im
Durchschnitt 310.
ίο Beis pi el 3
Ein Los von 25 Bohrern mit einem Durchmesser von 5 mm aus einem Stahl, der 6% W, 5% Mo und 0,8—1 %
C enthielt, wurde in fünf Gruppen mit je fünf Bohrern unterteilt; vier Gruppen von Bohrern wurden einer Erhitzung
in der Luft in einem Muffelelektroofen unter verschiedenen Bedingungen (s. Tabelle II) ausgesetzt,
wonach alle fünf Gruppen von Bohrern gleichzeitig in eine Vakuumanlage eingebracht wurden. Auf die Bohrer
wurde ein verschleißfester Überzug aus Titannitrid aufgetragen.
Die Bohrer wurden beim Abbohren der Bohrungen in einem Stahl, enthaltend 0,4—0,5% C, 0,17—0,37% Si
und 0,5—0,8% Mn, an einer Bohrmaschine mit einem mechanischen Vorschub unter folgenden Bedingungen
erprobt: Schnittgeschwindigkeit V = 10 m/min, Vorschub 5=4 mm/Um, Tiefe der Bohrungen
t = 1—5 mm.
Die durchschnittliche Anzahl der Bohrungen für fünf
Die durchschnittliche Anzahl der Bohrungen für fünf
Bohrer mit einem Überzug, die vorherig keine Vorvergütung in der Luft unterzogen wurden, betrug 22.
Nr.
7",0C
r, min
h, nm
450
500
550
560
500
550
560
15
5
2
0,5
5
2
0,5
70
40
20
18
40
20
18
320
280
260
240
280
260
240
Die Schneidplättchen aus einer Hartlegierung, die 92% WC und 8% Co enthielt, wurden in einer Waschlösung
gespült, wonach sie im fließenden Heißwasser sorgfältig gewaschen und anschließend bis zu einer
Temperatur von 130—5500C innerhalb von 15 bis
60 min in einem Trockenschrank in der Luft erhitzt wurden. Dabei bildet sich an den Plättchen eine Oxidationsschicht, deren Dicke an einem optischen Interferometer
gemessen wurde.
Die Plättchen mit der Oxidationsschicht sowie Kontrollplättchen, die keiner Erhitzung in der Luft unterzogen
wurden, wurden in einer Anlage untergebracht, in der auf die Oberfläche der Plättchen unter Ionenbeschuß
ein verschleißfester Überzug aus Zirkoniumnitrid entsprechend Beispiel 1 aufgetragen wurde. Ein Unterschied
bestand in der Temperatur der Erhitzung des
eo Werkzeuggrundkörpers durch Ionenbeschuß, die hier
6500C betrug.
Die Plättchen wurden beim Drehen einer Titanlegierung, die 5,5—7,0% AL 2,0-3,0% Mo, 0,8—0,23% Cr
und Rest Ti enthielt, an einer Leit- und Zugspindeldrehmaschine
unter der Verwendung eines Meißels mit mechanischer Befestigung des Plättchens erprobt Es wurden
folgende Zerspanungsbedingungen eingehalten: V= 74 mm/min; f= 1,5 mm; S =0,15 mm/Um. Als
Kriterium zur Bewertung des Stumpfwerdens wurde der Verschleiß des Plättchens an der Freifläche in einer
Höhe von 0,3 mm verwendet.
Die Ergebnisse der Prüfungen der Plättchen aus einer Hartlegierung auf Standzeit sind für fünf Plättchen in
der Tabelle III angeführt.
Tabelle | HI | ti, nm |
T, min | 0 | |
0,15 | 18 | |
0,18 | 20 | |
0,22 | 500 | |
0,35 | 1000 | |
0,3 | 1100 | |
0,25 | Betriebszeit bis zum Eintreten | |
T - | des Kriteriums des Stumpfwer | |
dens in min. | ||
Dicke der Oxidationsschicht. | ||
h - |
10
Die in den Beispielen 1 bis 4 angeführten Angaben gestatten die Schlußfolgerung, daß bei der Herstellung
einer Oxidationsschicht an einem Schneidwerkzeug mit einem verschleißfesten Überzug bei der Erhitzung dieses
Werkzeuges in der Luft vor der Auftragung des Überzuges eine Erhöhung der Standzeit um das
1,3— l,8fache erzielbar ist, verglichen mit einem Werkzeug mit Überzug auf einem nicht oxidierten Grundkörper.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
40
45
50
$5
«0
Claims (2)
1. Verfahren zur Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit verschleißfesten Oberzügen, beispielsweise
aus Carbiden oder Nitriden durch reaktive Vakuum-Aufdampfung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schneidwerkzeuge vor der Beschichtung der Oberzüge in Luft einer Wärmebehandlung
in einem Temperaturbereich von 130—560°C zur Erzeugung einer 0,02—1,00 μπι dikken
Oxidschicht ausgesetzt werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 zur Erzeugung eines verschleißfesten Überzuges aus Titannitrid,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge nach dem Entfetten und Waschen folgenden Verfahrensschritten
unterworfen werden:
Einstellung einer Temperatur zwischen 130°C und
560° C unter Luft im Trockenschrank während i —60 min zur Erzeugung einer 0,02—1,0 μιπ dicken
Oxidschicht, Einsetzen in die Vakuumkammer unter einem Druck von 1,3 · 10-5 bis 3,9 · 10-5mbar,
Anlegen einer negativen Spannung von 1 —2 kV an das Werkzeug und Anschalten eines Titanverdampfers für 2—5 min, Erniedrigung der Spannung auf 200-250 V,
Anlegen einer negativen Spannung von 1 —2 kV an das Werkzeug und Anschalten eines Titanverdampfers für 2—5 min, Erniedrigung der Spannung auf 200-250 V,
Erhöhung des Druckes in der Vakuumkammer durch Einleiten von Stickstoff bis zur Einstellung
eines Druckes von 1,3 ■ 10-3 bis 3,9 · 10-3mbarund
Abscheidung von Titannitridschichten innerhalb von 5—7 min,
anschließend Erniedrigung des Stickstoffdruckes auf 1,04 — 10~4 mbar und Abscheidung von Titannitridschichten
innerhalb von 2—3 min und
anschließende Druckerhöhung und 6- bis lOmalige Wiederholung der Arbeitsgänge.
anschließende Druckerhöhung und 6- bis lOmalige Wiederholung der Arbeitsgänge.
Priority Applications (8)
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