DE7820598U1

DE7820598U1 - DEVICE FOR SUPPORTING A METAL OR ALLOY LAYER ON AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE WORKPIECE

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Publication number: DE7820598U1
Application number: DE19787820598
Authority: DE
Original assignee: WAESCHLE FRANZ 7987 WEINGARTEN
Current assignee: WAESCHLE FRANZ 7987 WEINGARTEN
Priority date: 1978-07-08
Filing date: 1978-07-08
Publication date: 1979-01-11

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes WerkstückMethod and device for depositing a metal or alloy layer on an electrically conductive workpiece

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bislang wurden zu diesem Zweck die zu beschichtenden Werkstücke in einem galvanischen Bad mit Hilfe von Säuren oder Laugen unterschiedlichen Behandlungszeiten ausgesetzt.The invention relates to a method for supporting a Metal or alloy layer on an electrically conductive workpiece by means of a glow discharge, including the Workpiece as one electrode of an electric field in a vacuum chamber charged with carrier gas is connected and a device for performing the method. So far, the to coating workpieces in a galvanic bath with the help of acids or alkalis with different treatment times exposed.

Diese Galvanisierverfahren haben den Nachteil, daß sie durch die benötigten Säuren oder Laugen zu einem immer stärker werdenden Umweltproblem werden. Zumindest sind sehr hohe Investitionen erforderlich, um die dabei ent-These electroplating processes have the disadvantage that they the acids or alkalis required are becoming an ever-increasing environmental problem. At least are very high investments are required in order to

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Stehenden Abwasser zu neutralisieren, sofern nicht hier oder dort die zuständigen Behörden die Einrichtung solcher Anlagen im vorhinein untersagen. Wegen der hohen Salzfracht der neutralisierten Abwasser entstehen hohe Abwasserabgaben. Allerdings sind auch schon Verfahren bekannt geworden, bei denen das Auflagern einer Metallschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, während die andere Elektrode aus dem Beschichtungsmetall besteht. Diese Verfahren haben sich als nicht sehr geeignet erwiesen, da sie wegen des raschen Verbrauchs der metal 1 abgebenden Elektrode nur die die Beschichtung von Drähten oder kleineren Werkstücken, und das wegen der geringen Energie der auftreffenden Metallionen nur mit äußerst dünnen und nicht sehr festhaftenden Schichten gestatten.Neutralize standing wastewater, if not here or the competent authorities there prohibit the establishment of such systems in advance. Because of the high Salt load of the neutralized wastewater is created high wastewater charges. However, processes have also become known in which the support of a Metal layer on an electrically conductive workpiece takes place by means of a glow discharge, including the workpiece as the one electrode of an electric field in a vacuum chamber charged with carrier gas is switched, while the other electrode is made of the coating metal. These procedures have become proved to be not very suitable, since they only because of the rapid consumption of the metal 1-releasing electrode the coating of wires or smaller workpieces, and that because of the low energy of the hitting Only allow metal ions with extremely thin and not very firmly adhering layers.

Der Vollständigkeit halber sei auch das sogenannte Gasplattieren erwähnt, bei dem das aufzulagernde Metall aus einem eine entsprechende Metal !verbindung enthaltenden oder aus einer solchen bestehenden Gas auf das Werkstück abgeschieden wird, das aber dazu hocherhitzt werden muß. Derart hohe Temperaturen - es handelt sich dabei um solche von 1200⁰C und darüber - beeinträchtigen die physikalischen Eigenschaften des Werkstückes, so daß man in der Verwendung des Gasplattierverfahrens sehr beschränkt ist.For the sake of completeness, what is known as gas plating should also be mentioned, in which the metal to be deposited is deposited on the workpiece from a gas containing a corresponding metal compound or from a gas consisting of such a compound, which, however, has to be highly heated. Such high temperatures - these are those of 1200 ^° C. and above - impair the physical properties of the workpiece, so that one is very limited in the use of the gas plating process.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren samt einer zu dessen Durchführung geeigneten Vorrichtung zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet, d.h. also das umweltfreundlich und auch zur Erzeugung dicker Schichten auf größeren Werkstücken geeignet ist, wobei die Erhitzung des Werkstückes auf schäd-The object is to provide a method including a device suitable for carrying it out create that avoids the disadvantages mentioned above, i.e. that is environmentally friendly and also for production thick layers on larger workpieces, whereby the heating of the workpiece to damaging

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liehe Temperaturen nicht erforderlich ist.borrowed temperatures is not required.

Die Lösung wurde in überraschender Weise durch eine Weiterentwicklung der an zweiter Stelle genannten Verfahren gefunden. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Auflagern einer Metall-oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück ebenfalls ■ittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode des elektrischen Feldes in § tiner mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geThe solution was found in a surprising manner through a further development of the process mentioned in the second place. A method is proposed in which a metal or alloy layer is deposited on an electrically conductive workpiece as well ■ takes place by means of a glow discharge, including the workpiece as the one electrode of the electric field in § tiner with carrier gas charged vacuum chamber ge

schaltet ist. Erfindungsgemäß werden jedoch Trägergas und •eschichtungsmetal1 mittels eines der Unterdruckkammer vorgelagerten besonderen lonenerzeugers vorionisiert und somit bereits vorionisiert in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer überführt.is switched. According to the invention, however, are carrier gas and • eschichtungmetal1 by means of one of the negative pressure chambers upstream special ion generator pre-ionized and thus already pre-ionized transferred into the electric field in the vacuum chamber.

■Dabei kann als die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, und zwar vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer verwendet werden. Andererseits können aber auch als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetal1 selbst verwendet werden.■ Can be used as the other electrode of the electrical Field is a sheet of an alloy highly resistant to ionization, preferably the inner wall surface of the vacuum chamber can be used. On the other hand, flat structures made of the coating metal itself can also be used as second or additional electrodes.

Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des Ver-. fahrens so vorgegangen, daß das im Ionenerzeuger vorionisierte und in Turbulenz versetzte Trägergas Metallpartikel aus dem mit dem Trägergas in Kontakt gebrachten Beschichtungsmetail abstäubt und vorionisiert.Advantageously, when performing the ver. The procedure is such that the carrier gas pre-ionized in the ion generator and set into turbulence dusts and pre-ionizes metal particles from the coating detail brought into contact with the carrier gas.

Zum Aufbringen einer Legierungsschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, jeweils Trägergas und die Legierungskomponenten durch den LegierungskomponentenTo apply an alloy layer, it has proven to be expedient to pass carrier gas and the alloy components through the alloy components

einzeln zugeordnete Ionenerzeuger vorzuionisieren. Eine andere nicht minder zweckmäßige Möglichkeit zum Auf-Pre-ionize individually assigned ion generators. Another no less expedient way to

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bringen einer Legierungsschicht besteht darin, zusätzä liehe Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungs-Bringing an alloy layer consists in additional borrowed electrodes from different coating

metallen einzusetzen.to use metals.

Eine zur Durchführung erfindungsgemäßen Verfahrens ge- y eignete Vorrichtung weist einen Ionenerzeuger auf, derA method of the invention for carrying out overall y suitable apparatus comprises an ion generator in which

■ aus einem mit dem Trägergas beschickbaren Turbulenz-■ from a turbulence gas that can be charged with the carrier gas

!'■ raum, einer Einrichtung zur Bildung eines Lichtbogens! '■ Raum, a device for the formation of an electric arc

im Turbulenzraum und Mitteln für den Kontakt zwischen dem S- Trägergas und dem Beschichtungsmetal1 besteht.in the turbulence space and means for contact between the S-carrier gas and the coating metal1.

\ Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausführungsformen \ Further advantageous or expedient embodiments

j. und Einzelheiten der betreffenden Vorrichtung sind denj. and details of the device concerned are the

j Patentansprüchen und der folgenden Einzelbeschreibungj claims and the following individual description

zu entnehmen.refer to.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung inThe accompanying drawings show schematically by way of example Representation in

! Fig. 1 eine derartige Vorrichtung im Schnitt,! Fig. 1 such a device in section,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungs-Fig. 2 is a section through an embodiment

\ form des Ionenerzeugers in größerem \ form of the ion generator in larger

|. Maßstab,|. Scale,

If Fig. 3 einen ebensolchen Schnitt durch eineIf Fig. 3 shows such a section through a

■' zweite Ausführungsform des Ionener■ 'second embodiment of the ionener

zeugers,zeugers,

Fig. 4 einen ebensolchen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des Ionenerzeugers, 4 shows a similar section through a third embodiment of the ion generator,

Fig. 5 und 6 eine Vorrichtung entsprechend der Fig. 1 zur Verdeutlichung zweier Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIGS. 5 and 6 show a device corresponding to FIG. 1 to illustrate two Variants of the method according to the invention.

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Gemäß Fig. 1 ist auf eine elektrisch leitfähige, iso- f lierte Tischplatte 1 eine Haube 2 zur Bildung der ίFIG. 1 is an electrically conductive, f profiled tabletop 1 iso-, a hood 2 for forming the ί

Unterdruckkammer 3 gasdicht aufgesetzt. Eine Rohrlei- ψ tung 4, die isoliert durch die Tischplatte 1 geführt ί ist, ist an die Unterdruckkammer 3 angeschlossen und dient in bekannter Weise zu deren Evakuierung. Auf der Tischplatte 1 wird von Stützisolatoren 5 und 6 die Werk- j; stückauflage 7 getragen. In ifirer Decke besitzt die Haube 2 eine öffnung, in welche ein Ionenerzeuger 8 eingesetzt ist. Die Tischplatte 1 und mit ihr die Haube 2 sowie das Gehäuse 9 des lonenerzeugers und dessen Deckel 10 sind durch die Leitung 11 an den positiven Pol einer nicht gezeichneten Stromquelle anschließbar. Die Werkstückauflage 7 ist durch eine Leitung 12, die durch den Stützisolator 6 geführt ist, an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossen. Die Tischplatte 1 und die Haube 2, ebenso auch die Werkstückauflage 7 sind aus einem gegenüber einer Ionenauslösung hochwiderstandsfähigen Legierung hergestellt.Vacuum chamber 3 placed gas-tight. A piping ψ tung 4, which is isolated ί guided by the table top 1, is connected to the negative pressure chamber 3 and serves in known manner for their evacuation. On the table top 1, the post insulators 5 and 6 are j; piece edition 7 worn. In the ceiling, the hood 2 has an opening into which an ion generator 8 is inserted. The table top 1 and with it the hood 2 and the housing 9 of the ion generator and its cover 10 can be connected through the line 11 to the positive pole of a current source (not shown). The workpiece support 7 is connected to the negative pole of the power source by a line 12 which is passed through the post insulator 6. The table top 1 and the hood 2, as well as the workpiece support 7, are made of an alloy that is highly resistant to ion release.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines lonenerzeugers 8 ist im Gehäuse 9 eine zur Unterdruckkammer 3 weisende öffnung 13 'vorgesehen, in die eine gasdurchlässige Platte 14 aus dem Beschichtungsmetall eingesetzt ist. Im Deckel 10 ist eine Zündkerze 15 eingeschraubt, deren Mittelelektrode 16 durch die Leitung 17 an den negativen Pol der erwähnten Stromquelle angeschlossen ist.In the embodiment shown in FIG of an ion generator 8, an opening 13 'facing the vacuum chamber 3 is provided in the housing 9, into which a gas-permeable plate 14 made of the coating metal is used. In the cover 10, a spark plug 15 is screwed, the center electrode 16 by the Line 17 is connected to the negative pole of the mentioned power source.

Die Gegenelektrode 18 ist über den Deckel 10, das Gehäuse 9, die Haube 2 und die Tischplatte 1 an den positiven Pol der erwähnten Stromquelle anschließbar. In ;,The counter electrode 18 is over the cover 10, the housing 9, the hood 2 and the table top 1 can be connected to the positive pole of the mentioned power source. In ;,

Si den vom Gehäuse 9 und Deckel 10 umschlossenen Turbulenz- f raum 19 mündet ein gegenüber dem Gehäuse 9 isolierter i^: Stutzen 20 für die Zuleitung des Trägergases. Es könnenSi enclosed by the housing 9 and the cover 10 f turbulence chamber 19 opens out from the housing 9 of insulated ^i: port 20 for supplying the carrier gas. It can

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auch mehrere Stutzen vorgesehen sein und die Einmündung kann radial oder auch tangential gerichtet sein.several nozzles can also be provided and the confluence can be directed radially or tangentially.

Schließlich sind noch hier nicht eigens beschriebene und gezeichnete Mittel bekannter Art zur Regulierung der Spannung und zur Einstellung und Konstanthaltung des Druckes in der Unterdruckkammer je nach den günstigsten Arbeitsbedingungen vorgesehen.Finally, there are not yet specifically described and drawn means of a known type for regulation the voltage and for setting and keeping the pressure constant in the vacuum chamber depending on the most favorable Working conditions provided.

Das mit der Metallbeschichtung zu versehende Werkstück 21 (siehe Fig. 1) wird auf die Werkstückauflage 7 aufgelegt, die Haube 2 auf die Tischplatte 1 aufgesetzt und die so geschlossene Unterdruckkammer 3 durch die Rohrleitung 4 evakuiert. Hernach wird durch den bzw. die Stutzen 20 das Trägergas (z.B. Argon) eingelassen und die Tischplatte 1, die Haube 2 usw. an die Plusspannung gelegt. Es baut sich zwischen Tischplatte 1 und Haube 2 als Anode einerseits und dem Werkstück 21 als Kathode anderseits ein elektrisches Feld auf. Ferner entsteht zwischen der Gegenelektrode 18 und der Mittelelektrode 16 der Zündkerze 15 ein Lichtbogen.The workpiece 21 to be provided with the metal coating (see FIG. 1) is placed on the workpiece support 7, the hood 2 placed on the table top 1 and the vacuum chamber 3 thus closed by the Pipeline 4 evacuated. The carrier gas (e.g. argon) is then admitted through the nozzle (s) 20 and the table top 1, the hood 2, etc. placed on the plus voltage. It builds up between table top 1 and hood 2 as an anode on the one hand and the workpiece 21 as a cathode on the other hand an electric field. Furthermore arises between the counter electrode 18 and the center electrode 16 of the spark plug 15 an arc.

Durch diesen Lichtbogen wird das in- den Turbulenzraum 19 eingetretene Trägergas ionisiert und in ein Wirbelströmung versetzt. Die Gasionen dringen durch die Platte 14 aus Beschichtungsmetal1 und stäuben daraus Metallionen ab, welche als eine Art "Ionenregen" in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer 3 gelangen.In diesem werden sie in Richtung des Werkstücks 21 umgelenkt und treffen dort im Zuge der Glimmentladung zwischen Anode 1, 2 und Kathode 21 mit sehr hoher Geschwindigkeit auf, derart, daß sie zum Teil in die Oberfläche des Werkstückes 21 eindringen und in der Folge eine äußerst festhaftende Metallschicht auf dem Werkstück 21 bilden. Dabei wird die Dicke der Schicht im wesentlichen durchThe carrier gas which has entered the turbulence space 19 is ionized by this arc and is transformed into a vortex flow offset. The gas ions penetrate through the plating metal plate 14 and dust metal ions therefrom which get into the electric field in the vacuum chamber 3 as a kind of "ion rain" they are deflected in the direction of the workpiece 21 and meet there in the course of the glow discharge between Anode 1, 2 and cathode 21 at very high speed on, in such a way that they partially penetrate into the surface of the workpiece 21 and as a result an extremely Form a firmly adhering metal layer on the workpiece 21. The thickness of the layer is essentially through

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die Zeitdauer des Beschichtungsvorganges bestimmt.determines the duration of the coating process.

Bezüglich der elektrischen Schaltung könn.te auch daran gedacht werden, den Plus-Pol der Stromquelle und die an der Tischplatte 1 angeschlossene Leitung 11 an Erde zu legen, wogegen für den ßeschichtungsvorgang die Verbindung zwischen Werkstückauflage 7 und Mittelelektrode der Zündkerze 15 mit dem Minus-Pol der Stromquelle herzustellen wäre. Es wären dann^Tischplatte 1 und Haube 2 nicht spannungsführend und es könnte die Isolierung des Durchtritts der Rohrleitung 4 und des Stutzens 20 unterbleiben. With regard to the electrical circuit, one could also think of the positive pole of the power source and the the table top 1 connected line 11 to earth, whereas the connection for the layering process between workpiece support 7 and center electrode the spark plug 15 would be to produce with the minus pole of the power source. It would then be ^ table top 1 and hood 2 not energized and the insulation of the passage of the pipeline 4 and the connector 20 could be omitted.

Die Ausführungsform des Ionenerzeugers nach Fig. 3 untericheidet sich von der nach Fig. 2 nur durch die An-Ordnung des Beschichtungsmetalls, das als Ringfutter 22 in das Ge'nä *se 9 eingelegt ist, und die düsenartige Ausbildung der zur Unterdruckkammer 3 führenden öffnung 23. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 ist in die Übergangsöffnung 13 zur Unterdruckkammer 3 «in siebartig gelochter Napf 24 eingelassen, der das Beschic'ntungsmetall in Form eines Granulates 25 aufnimmt.The embodiment of the ion generator according to FIG. 3 is different differs from that of FIG. 2 only by the on-order of the coating metal, which is used as ring lining 22 is inserted into the Ge'nä * se 9, and the nozzle-like Formation of the opening 23 leading to the vacuum chamber 3. In the embodiment according to FIG. 4, FIG the transition opening 13 to the vacuum chamber 3 ″ in the shape of a sieve perforated bowl 24, which holds the metal absorbs 25 in the form of granules.

Die durch Fig. 5 verdeutlichte Variante des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bedient sich zusätzlich zum Ionenerzeuger 8 noch einer Anode aus Beschichtungsmetall,lie hier beispielsweise als Hohlzylinder 26 innerhalb der Haube 2 auf die Tischplatte 1 aufgesetzt ist und das Werkstück 21 umgibt. Bei der weiteren Variante nach Fig. 6 wird eine zusätzliche Kathode aus Beschichtungsmetall in Gestalt eines Ringes 27, der das Werkstück 21 umgibt, auf die Werkstückauflage 7 aufgesetzt. The illustrated by FIG. 5 variant of the invention The coating process uses an anode made of coating metal in addition to the ion generator 8 here, for example, is placed on the table top 1 as a hollow cylinder 26 within the hood 2 and surrounds the workpiece 21. In the further variant according to FIG. 6, an additional cathode is made of coating metal placed on the workpiece support 7 in the form of a ring 27 which surrounds the workpiece 21.

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Die Verwendung zusätzlicher Elektroden kann den Zweck haben, den Beschichtungseffekt zu verstärken, besonders wenn es sich darum handelt, größere Schichtdicken zu erzielen.' Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der Ionenerzeuger 8 nur einleitend zur ErzeugungThe use of additional electrodes can have the purpose of increasing the coating effect, in particular when it comes to achieving greater layer thicknesses. ' But it can also be done like this that the ion generator 8 is only preliminary to the generation

S einer ersten festhaftenden Grundschicht verwendet wird,S a first firmly adhering base layer is used,

J worauf die weitere Beschichtung in herkömmlicher WeiseJ followed by further coating in a conventional manner

1 von den zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus erfolgt.1 takes place from the additional electrodes 26 and 27, respectively.

I Schließlich können auch mehrere Ionenerzeuger 8 vor-I Finally, several ion generators 8 can also be provided.

1 gesehen sein, die mit unterschiedlichen Beschichtungs-1 can be seen with different coating

i ■" metallen ausgestattet sind, um eine legierungsartigei ■ "metals are equipped to be alloy-like

i Beschichtung des Werkstückes zu erzielen. Das Gleichei to achieve coating of the workpiece. The same

ν kann auch erreicht werden, wenn die erwähnten zusätz-ν can also be achieved if the mentioned additional

Ji liehen Elektroden 26 bzw. 27 aus verschiedenen Be-Ji borrowed electrodes 26 and 27 from different

\ schichtungsmetallen bestehen. \ coating metals exist.

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Claims

Expectations

X. device for supporting a metal or alloy layer on an electrically conductive workpiece by means of a glow discharge, wherein the workpiece is gescnaltet as one electrode of an electric field in a coated ^T rägergas vacuum chamber, characterized in

net

that the vacuum chamber (3) generates an ion

ger (8) is upstream.

t. Device according to claim 1, characterized

draws

that the other electrode of the elek

Trischen field a sheet of an alloy highly resistant to ionization, preferably is the inner wall surface of the vacuum chamber (3).

J. Apparatus according to claim 1, characterized in that g e k e

η η -

draws

that as a second or additional

Flat electrode structures (26, 27) made from the coating metal are arranged even in the vacuum chamber (3).

k. Device according to claim 1, characterized in that for applying an alloy

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layer, an ion generator (8) is assigned individually to each alloy component.

5. The device according to claim 1, characterized in that for applying an alloy layer, additional electrodes made of different Coating metals are provided.

6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the ion generator (8) upstream of the vacuum chamber (3) consists of a turbulence chamber (19) which can be charged with carrier gas, a device (spark plug 15) for forming an arc in the turbulence chamber and means (14-, 22 , 24- and 25) for the contact between the carrier gas and the coating metal.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that in the passage opening (13) from the turbulence space (19) to the vacuum chamber (3) a gas-permeable plate (IA-) made of coating metal is used.

8. Apparatus according to claim 6, characterized in that the wall of the turbulence space (19) provided with a lining (22) made of coating metal and the passage opening (23) for The vacuum chamber (3) is designed like a nozzle.

?. Device according to claim 6, characterized in that in the passage opening (13) between the turbulence chamber (19) and the vacuum chamber (3) a sieve-like perforated cup (2 ^) is let in, the absorbs the coating metal as metal granules (25).

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