JP2005133168A - 磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法 - Google Patents
磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】磁気特性に優れ、高強度および高比抵抗を有する複合軟磁性材の製造方法を提供する。
【解決手段】軟磁性粉末またはリン酸皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱し、この室温〜１５０℃に加熱されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、成形圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧粉成形し、得られた成形体を温度：４００〜６００℃で焼成することを特徴とする磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法。
【選択図】 なし
【解決手段】軟磁性粉末またはリン酸皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱し、この室温〜１５０℃に加熱されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、成形圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧粉成形し、得られた成形体を温度：４００〜６００℃で焼成することを特徴とする磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法。
【選択図】 なし
Description
この発明は、磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法に関するものであり、この複合軟磁性材はインジェクター部品、イグニッション部品、電磁弁用コア、モーター用コアなどの製造に使用されるものである。
一般に、軟磁性粉末は、鉄粉末、Ｆｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｎｉ基軟磁性合金粉末またはＦｅ−Ｃｏ系軟磁性合金粉末などが知られており、
前記鉄粉末としては純鉄粉末を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＳｉ：０．１〜１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末（例えばＳｉ：１〜１２質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼粉末、一層具体的にはＦｅ−３％Ｓｉ粉末）を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＡｌ：０．０５〜１０を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−１５％Ａｌからなる組成を有するアルパーム粉末）を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＳｉ：０．１〜１０質量％、Ａｌ：０．０５〜１０を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−９％Ｓｉ−５％Ａｌからなる組成を有するセンダスト粉末）を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＣｒ：１〜２０％を含有し、必要に応じてＡｌ：５％以下、Ｓｉ：５％以下の内の１種または２種を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末を使用することが知られており、
さらに、Ｎｉ基軟磁性合金粉末としてはＮｉ：３５〜８５％を含有し、必要に応じてＭｏ：５％以下、Ｃｕ：５％以下、Ｃｒ：２％以下、Ｍｎ：０．５％以下の内の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるニッケル基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−７９％Ｎｉ粉末）を使用することが知られており、さらに、
Ｆｅ−Ｃｏ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＣｏ：１０〜６０％を含有し、必要に応じてＶ：０．１〜３％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｏ系鉄基軟磁性合金粉末（以上、％は質量％を示す。）を使用することが知られている。
前記鉄粉末としては純鉄粉末を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＳｉ：０．１〜１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末（例えばＳｉ：１〜１２質量％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる珪素鋼粉末、一層具体的にはＦｅ−３％Ｓｉ粉末）を使用することが知られており、
Ｆｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末としてはＡｌ：０．０５〜１０を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−１５％Ａｌからなる組成を有するアルパーム粉末）を使用することが知られており、
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さらに、Ｎｉ基軟磁性合金粉末としてはＮｉ：３５〜８５％を含有し、必要に応じてＭｏ：５％以下、Ｃｕ：５％以下、Ｃｒ：２％以下、Ｍｎ：０．５％以下の内の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるニッケル基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−７９％Ｎｉ粉末）を使用することが知られており、さらに、
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さらに、軟磁性粉末の表面に絶縁性皮膜を形成した軟磁性粉末（以下、絶縁皮膜被覆軟磁性粉末という）は、前記軟磁性粉末を高温酸化処理することにより表面に酸化膜を形成した酸化膜被覆軟磁性粉末、軟磁性粉末にリン酸処理を施すことにより表面にリン酸皮膜を形成したリン酸被覆軟磁性粉末、軟磁性粉末にスチーム処理を施すことにより表面に絶縁性の水酸化膜を形成した水酸化膜被覆軟磁性粉末が知られている。これら絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の中でも軟磁性粉末の表面にリン酸皮膜を形成したリン酸皮膜被覆軟磁性粉末が最も多く使用されている。
かかる絶縁性皮膜被覆軟磁性粉末は、その充填密度を高めるために、結合剤と共に可能な限り高圧で圧縮成形する。しかし、高圧圧縮成形して得られた複合軟磁性材は、圧縮成形時に絶縁性皮膜被覆軟磁性粉末の内部の軟磁性粉末に圧縮歪が生成し、軟磁性磁気特性が低下し、材料の特性を十分に発揮させることができなくなる。そのために、圧縮生成して得られた複合軟磁性材料は熱処理することにより歪みを開放し、軟磁性特性を回復させるための熱処理が施されている。
しかし、軟磁性粉末の歪みを開放するには５００℃以上の高温に加熱することが好ましいが、かかる温度に加熱すると、結合剤としてポリフェニルエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などの熱可塑性樹脂、さらに、フェノール樹脂、エポキシ樹脂有機樹脂などの熱硬化性樹脂を使用した複合軟磁性材料は炭化または燃焼して好ましくない。そのために、結合剤として水ガラスを使用した複合軟磁性材料が提案されている（特許文献１参照）。この水ガラスを結合剤とした複合軟磁性材は有機樹脂を結合剤とした複合軟磁性材に比べて強度が低く、さらに水分を吸収して軟化するために耐久性が低い。そのため、近年、シリコーン樹脂を結合剤として作製した複合軟磁性材が提案されている。このシリコーン樹脂を結合剤とする複合軟磁性材は軟磁性粉末を２５０〜９５０℃で酸化雰囲気中で加熱することにより表面に絶縁皮膜である酸化膜を形成して絶縁皮膜被覆軟磁性粉末を作製し、この絶縁皮膜被覆軟磁性粉末にシリコーン樹脂：０．５〜１０質量％添加し混合し、圧縮成形したのち、非酸化性雰囲気中、温度：５００〜１０００℃で焼成することにより歪みを除去して製造するものである（特許文献２参照）。
特開昭５６‐１５５５１０号公報
特開平６‐３４２７１４号公報
この従来法によると、シリコーン樹脂を０．５〜１０質量％添加する必要があり、シリコーン樹脂の添加量が多くなるほど絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の添加量が減少して複合軟磁性材の磁気特性の低下は避けられない。反対にシリコーン樹脂の添加量が０．５質量％未満であると強度および比抵抗が低下するので好ましくない。そのために、シリコーン樹脂の添加量を可及的に少なくして絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の含有量を多くし、しかも高強度および低鉄損を保持することができる複合軟磁性材の開発が求められていた。
そこで、本発明者等は、複合軟磁性材に含まれるシリコーン樹脂の量を一層減らして軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の含有量を一層増やすことにより磁気特性を向上させ、さらに高強度および低鉄損を保持する複合軟磁性材を製造すべく研究を行った。その結果、
軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を作製し、このシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を予め室温または最高１５０℃に加熱し、この室温から１５０℃の範囲内の温度に加熱したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧縮成形して成形体を作製し、この成形体を温度：４００〜６００℃で焼成して得られた複合軟磁性材は、軟磁性粉末が薄いシリコーン樹脂でまんべんなく被覆されており、シリコーン樹脂の添加量を０．５質量％未満に抑えても、従来法で作製した複合軟磁性材とほぼ同じ高強度および低鉄損を有し、軟磁性粉末の含有量が増えることにより一層磁気特性が向上する、
（ロ）前記絶縁皮膜被覆軟磁性粉末としては、表面にリン酸皮膜を有するリン酸皮膜被覆軟磁性粉末であることが特に好ましい、という研究結果が得られたのである。
軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を作製し、このシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を予め室温または最高１５０℃に加熱し、この室温から１５０℃の範囲内の温度に加熱したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧縮成形して成形体を作製し、この成形体を温度：４００〜６００℃で焼成して得られた複合軟磁性材は、軟磁性粉末が薄いシリコーン樹脂でまんべんなく被覆されており、シリコーン樹脂の添加量を０．５質量％未満に抑えても、従来法で作製した複合軟磁性材とほぼ同じ高強度および低鉄損を有し、軟磁性粉末の含有量が増えることにより一層磁気特性が向上する、
（ロ）前記絶縁皮膜被覆軟磁性粉末としては、表面にリン酸皮膜を有するリン酸皮膜被覆軟磁性粉末であることが特に好ましい、という研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱し、この室温〜１５０℃に加熱されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、成形圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧粉成形し、得られた成形体を温度：４００〜６００℃で焼成する磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法、
（２）前記絶縁皮膜被覆軟磁性粉末は、リン酸皮膜被覆軟磁性粉末である前記（１）記載の磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法、に特徴を有するものである。
（１）軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱し、この室温〜１５０℃に加熱されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、成形圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧粉成形し、得られた成形体を温度：４００〜６００℃で焼成する磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法、
（２）前記絶縁皮膜被覆軟磁性粉末は、リン酸皮膜被覆軟磁性粉末である前記（１）記載の磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法、に特徴を有するものである。
通常の軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は、一般に市販されている軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末に液体状のシリコーン樹脂を０．１〜０．５質量％未満添加し、通常の方法で混合した後、大気中で乾燥することにより簡単に作製することができる。この厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を用いて作製した複合軟磁性材は、そこに含まれるシリコーン樹脂の量を０．１〜０．５質量％未満にすることができる。
したがって、前記表面にリン酸皮膜を有するリン酸皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は、一般に市販されている表面にリン酸皮膜を有するリン酸皮膜被覆軟磁性粉末に液体状のシリコーン樹脂を０．１〜０．５質量％未満添加し、通常の方法で混合した後、大気中で乾燥することにより簡単に作製することができる。この厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を用いて作製した複合軟磁性材は、そこに含まれるシリコーン樹脂の量を０．１〜０．５質量％未満にすることができる。
複合軟磁性材に含まれるシリコーン樹脂の量を一層減らすことにより軟磁性粉末またはリン酸皮膜被覆軟磁性粉末の含有量を一層増加させ、もって磁気特性を向上させるとともに従来の複合軟磁性材と同じ高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材を製造することができる。
この発明の複合軟磁性材の製造方法において使用するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末の表面に形成されているシリコーン樹脂被膜の厚さを０．１〜５μｍに定めたのは、シリコーン樹脂被膜の厚さが０．１μｍ未満では複合軟磁性材の十分な強度と比抵抗を確保できないからであり、一方、シリコーン樹脂皮膜の厚さが５μｍを越えて厚くすると、複合軟磁性材に含まれるシリコーン樹脂の量が０．５質量％以上となり、十分な軟磁性磁気特性が得られない理由によるものである。
かかるシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は、室温〜１５０℃の所定の温度に加熱したのち、温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填され、圧縮成形される。金型を１００〜１５０℃に加熱する理由は、コロイド状の潤滑剤を金型の壁面に塗布した場合、潤滑剤に含まれる水分が蒸発して固体状の潤滑剤が金型の壁面に付着させる目的とシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末の成型密度を高めるためである。したがって、金型の加熱温度は１００℃以上であることが必要であるが、１５０℃を越える必要は無い。この加熱された金型に充填するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末が１５０℃を越えて加熱されると、軟磁性粉末に酸化が生じて圧縮性に悪影響を与えるので好ましくない。したがって金型に充填するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は加熱しても最高１５０℃に押さえることが好ましい。
この発明の複合軟磁性材の製造方法において使用するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末の表面に形成されているシリコーン樹脂被膜の厚さを０．１〜５μｍに定めたのは、シリコーン樹脂被膜の厚さが０．１μｍ未満では複合軟磁性材の十分な強度と比抵抗を確保できないからであり、一方、シリコーン樹脂皮膜の厚さが５μｍを越えて厚くすると、複合軟磁性材に含まれるシリコーン樹脂の量が０．５質量％以上となり、十分な軟磁性磁気特性が得られない理由によるものである。
かかるシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は、室温〜１５０℃の所定の温度に加熱したのち、温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填され、圧縮成形される。金型を１００〜１５０℃に加熱する理由は、コロイド状の潤滑剤を金型の壁面に塗布した場合、潤滑剤に含まれる水分が蒸発して固体状の潤滑剤が金型の壁面に付着させる目的とシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末の成型密度を高めるためである。したがって、金型の加熱温度は１００℃以上であることが必要であるが、１５０℃を越える必要は無い。この加熱された金型に充填するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末が１５０℃を越えて加熱されると、軟磁性粉末に酸化が生じて圧縮性に悪影響を与えるので好ましくない。したがって金型に充填するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末は加熱しても最高１５０℃に押さえることが好ましい。
かかる金型に充填されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を６００〜１５００ＭＰａで圧縮成形するのは、圧縮成形圧力が６００ＭＰａ未満では十分な密度が得られないからであり、一方、１５００ＭＰａを越えると比抵抗が低下したり、金型強度の低下により寸法精度が大幅に低下するので好ましくないからである。
圧縮成形して得られた成形体は、大気中、温度：４００〜６００℃に３０〜６０分間保持することにより焼成する。この温度で焼成することによりシリコーン樹脂はガラス化して高強度の複合軟磁性材が得られる。またこの温度で焼成することにより軟磁性粉末の歪みが除去され、軟磁性磁気特性が回復する。前記焼成温度を４００〜６００℃に限定したのは、４００℃未満では圧縮成形時に生じた歪の開放が不十分であるので好ましくなく、一方、６００℃を越えると比抵抗の低下が生じるので好ましくない理由によるものである。
圧縮成形して得られた成形体は、大気中、温度：４００〜６００℃に３０〜６０分間保持することにより焼成する。この温度で焼成することによりシリコーン樹脂はガラス化して高強度の複合軟磁性材が得られる。またこの温度で焼成することにより軟磁性粉末の歪みが除去され、軟磁性磁気特性が回復する。前記焼成温度を４００〜６００℃に限定したのは、４００℃未満では圧縮成形時に生じた歪の開放が不十分であるので好ましくなく、一方、６００℃を越えると比抵抗の低下が生じるので好ましくない理由によるものである。
実施例１
原料として、純鉄粉末にリン酸処理を施すことによりリン酸皮膜を形成してリン酸皮膜形成軟磁性粉末を用意し、さらに液体状のシリコーン樹脂を用意した。このリン酸皮膜形成軟磁性粉末に液体状のシリコーン樹脂を表１に示される割合で添加し、大気中で混合することにより表１に示される平均厚さのシリコーン樹脂皮膜を有するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を作製した。
原料として、純鉄粉末にリン酸処理を施すことによりリン酸皮膜を形成してリン酸皮膜形成軟磁性粉末を用意し、さらに液体状のシリコーン樹脂を用意した。このリン酸皮膜形成軟磁性粉末に液体状のシリコーン樹脂を表１に示される割合で添加し、大気中で混合することにより表１に示される平均厚さのシリコーン樹脂皮膜を有するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を作製した。
従来例１
実施例で用意したリン酸皮膜形成軟磁性粉末にシリコーン樹脂粉末を５質量％添加し混合しすることによりシリコーン樹脂粉末：５質量％、残部：リン酸皮膜形成軟磁性粉末からなる配合組成を有する混合粉末を作製し、この混合粉末を常温で金型に充填し、圧力：７００ＭＰａで圧縮成形して成形体を作製し、この成形体を７００℃、１２０分間保持の加熱を行って従来法１を実施することにより縦：５mm、横：１０mm、長さ：６０mmの寸法を有する軟磁性試験片および外径：３５mm、内径：２５mm、高さ：５mmの寸法を有する軟磁性試験片を作製した。この軟磁性試験片を用い、室温における抗折強度、密度、比抵抗、鉄損および磁束密度を測定し、その測定結果を表３に示した。
実施例２
原料として、純鉄粉末を用意し、さらに液体状のシリコーン樹脂を用意した。この純鉄粉末に液体状のシリコーン樹脂を表４に示される割合で添加し、大気中で混合することにより表４に示される平均厚さのシリコーン樹脂皮膜を有するシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を作製した。
従来例２
実施例２で用意した純鉄粉末にシリコーン樹脂を５質量％添加し混合しすることによりシリコーン樹脂：５質量％、残部：リン酸皮膜形成軟磁性粉末からなる配合組成を有する混合粉末を作製し、この混合粉末を常温で金型に充填し、圧力：７００ＭＰａで圧縮成形して成形体を作製し、この成形体を７００℃、１２０分間保持の加熱を行って従来法２を実施することにより縦：５mm、横：１０mm、長さ：６０mmの寸法を有する軟磁性試験片および外径：３５mm、内径：２５mm、高さ：５mmの寸法を有する軟磁性試験片を作製した。この軟磁性試験片を用い、室温における抗折強度、密度、比抵抗、鉄損および磁束密度を測定し、その測定結果を表６に示した。
Claims (3)
- 軟磁性粉末または絶縁皮膜被覆軟磁性粉末の表面に厚さ：０．１〜５μｍの極めて薄いシリコーン樹脂皮膜を形成したシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を室温〜１５０℃に加熱し、この室温〜１５０℃に加熱されたシリコーン樹脂皮膜形成軟磁性粉末を温度：１００〜１５０℃に加熱された金型に充填し、成形圧力：６００〜１５００ＭＰａで圧粉成形し、得られた成形体を温度：４００〜６００℃で焼成することを特徴とする磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法、
- 前記絶縁皮膜被覆軟磁性粉末は、リン酸皮膜被覆軟磁性粉末であることを特徴とする請求項１記載の磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材の製造方法。
- 請求項１または２記載の方法で製造した磁気特性に優れ、高強度および低鉄損を有する複合軟磁性材。
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