JP5916964B2 - 銅合金板材、コネクタ、および銅合金板材の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)Niを1.00〜6.00質量%、Siを0.10〜2.00質量%含有し、残部が銅及び不可避不純物からなる銅合金板材であって、
板材表面のうねりモチーフ平均長さAWが5.00〜9.80μm、うねりモチーフ平均深さWが0.50〜1.10μmおよび前記銅合金板材の表面粗さRaが0.06〜0.20μmであることを特徴とする銅合金板材。
(2)Niを1.00〜6.00質量%、Siを0.10〜2.00質量%含有し、並びにBを0.100質量%以下、Mgを0.180質量%以下、Pを0.050質量%以下、Crを0.500質量%以下、Mnを0.160質量%以下、Feを0.050質量%以下、Coを0.050質量%以下、Znを0.510質量%以下、Zrを0.100質量%以下、Agを0.050質量%以下およびSnを0.500質量%以下からなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.000〜3.000質量%含有し、残部が銅及び不可避不純物からなる銅合金板材であって、
板材表面のうねりモチーフ平均長さAWが5.00〜9.80μm、うねりモチーフ平均深さWが0.50〜1.10μmおよび前記銅合金板材の表面粗さRaが0.06〜0.20μmであることを特徴とする銅合金板材。
(3)前記銅合金板材の表面から板厚の1/8の位置に至るまでの表層部において、前記銅合金板材の圧延面に対してCube方位を有する結晶粒が5.0%以上の面積率を有する、(1)または(2)項に記載の銅合金板材。
(4)前記銅合金板材の圧延垂直方向に荷重100gで30往復の摺動試験をした後の動摩擦係数が0.5以下である、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の銅合金板材。
(5)前記銅合金板材の180°U曲げ試験において曲げの軸が圧延平行方向と圧延垂直方向のいずれの場合にもクラックなく曲げ加工が可能である、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の銅合金板材。
(6)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の銅合金板材からなるコネクタ。
(7)(1)〜(5)のいずれか1項に記載の銅合金板材を製造する方法であり、前記銅合金板材を与える合金成分組成からなる銅合金素材を溶解・鋳造[工程1]した後、均質化熱処理[工程2]、熱間圧延[工程3]、水冷[工程4]、冷間圧延1[工程6]、冷間圧延2[工程7]、ローラレベラ[工程8]、中間溶体化熱処理[工程9]、時効析出熱処理[工程10]、冷間圧延3[工程12]、及び最終焼鈍[工程13]、の各工程をこの順に施す銅合金板材の製造方法であって、
前記冷間圧延1[工程6]は、合計加工率50〜90%で加工を行い、
前記冷間圧延2[工程7]は、圧延時の張力を50〜400MPaとし、圧延機のロール粗度Raを0.5μm以上とし、合計加工率30%以上で加工を行い、
前記ローラレベラ[工程8]は、ベンダ数を9個以上とし、押込み量としてのインターメッシュが0.2%以上となる加工を行うことを特徴とする銅合金板材の製造方法。
(8)前記水冷[工程4]と前記冷間圧延1[工程6]との間に、面削[工程5]を施す、(7)項に記載の銅合金板材の製造方法。
(9)前記時効析出熱処理[工程10]と前記冷間圧延3[工程12]との間に、酸洗・研磨[工程11]を施す、(7)または(8)項に記載の銅合金板材の製造方法。
ここで、板材表面の「うねりモチーフ平均長さAW」とは、板材表面の凹凸について、1つのモチーフの凸(山)の最高点(山頂)(Hj)からそのモチーフの凹(谷)の最深部(谷底)を経てそのモチーフのもう1つの凸(山)の最高点(山頂)(Hj+1)までの横方向の長さをうねりモチーフの長さ(ARj)とし、このうねりモチーフ長さの評価長さでの算術平均値をいう。また、「うねりモチーフの平均深さW」とは、前記1つのモチーフの凸の最高点(Hj)からそのモチーフの凹の最深部を経てそのモチーフのもう1つの凸の最高点(Hj+1)までの間における縦方向(板厚方向)の最高点(つまりどちらかの山頂)から最低点(つまり谷底)までの距離(深さ)をうねりモチーフの深さ(W j=Hj+1)とし、このうねりモチーフ深さについての評価長さでの算術平均値をいう。これらのうねりモチーフ平均長さAWとうねりモチーフの平均深さWとは、JISで規格化された表面性状の定義(JIS B 0631: 2000)に従ったモチーフパラメータである。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
まず、本発明の板材を構成する銅合金の組成を説明する。
本発明の板材を構成する銅合金への必須添加元素NiとSiの含有量とその作用について示す。
Niは、後述するSiとともに含有されて、時効析出熱処理で析出したNi2Si相を形成して、銅合金板材の強度の向上に寄与する元素である。Niの含有量は1.00〜6.00質量%であり、好ましくは1.20〜5.50質量%、さらに好ましくは1.50〜5.00質量%である。Niの含有量を前記範囲とすることによって、前記Ni2Si相を適正に形成させ、銅合金板材の機械的強度(引張強さや0.2%耐力)を高めることができる。また、導電率も高い。また、熱間圧延加工性も良好である。
Siは、前記Niとともに含有されて、時効析出熱処理で析出したNi2Si相を形成して、銅合金板材の強度の向上に寄与する。Siの含有量は0.1〜2.0質量%であり、好ましくは0.20〜1.80質量%、さらに好ましくは0.50〜1.50質量%である。Siの含有量は化学量論比でNi/Si=4.2とするのが最も導電率と強度のバランスがよい。そのためSiの含有量は、Ni/Siが2.50〜7.50の範囲となるようにするのが好ましく、より好ましくは3.00〜6.50である。Siの含有量を前記範囲とすることによって、銅合金板材の引張強さを高くすることができる。この場合、過剰なSiが銅のマトリックス中に固溶して、銅合金板材の導電率を低下させることがない。また、鋳造時の鋳造性や、熱間および冷間での圧延加工性も良好であり、鋳造割れや圧延割れが生じることもない。
次に本発明の板材を構成する銅合金における副添加元素の種類とその添加効果について説明する。本発明では副添加元素を含有させなくともよいが、含有させる場合は、好ましい副添加元素としては、B、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Co、Zn、Zr、AgおよびSnが挙げられる。これらの元素は総量で3.000質量%以下であると導電率を低下させる弊害を生じないため好ましい。添加効果を充分に活用し、かつ導電率を低下させないためには、総量で、0.005〜3.000質量%であることが好ましく、0.010〜2.800質量%がさらに好ましく、0.030〜2.500質量%であることが特に好ましい。なおこれらの副添加元素は、総量で0.005質量%未満の場合、不可避不純物として扱う。以下に、各元素の添加効果を示す。
Mg、Sn、Znは、添加することで耐応力緩和特性を向上する。それぞれを添加した場合よりも併せて添加した場合に相乗効果によって更に耐応力緩和特性が向上する。また、半田脆化が著しく改善する効果がある。Mg、Sn、Znそれぞれの含有量は、好ましくは0.050〜0.750質量%、さらに好ましくは0.100〜0.750質量%である。
Mn、Ag、B、Pは添加すると熱間加工性を向上させるとともに、強度を向上する。Mn、Ag、B、Pそれぞれの含有量は、好ましくは0.050〜0.160質量%、さらに好ましくは0.050〜0.150質量%である。
Cr、Zr、Fe、Coは、化合物や単体で微細に析出し、析出硬化に寄与する。また、化合物として50〜500nmの大きさで析出し、粒成長を抑制することによって結晶粒径を微細にする効果があり、曲げ加工性を良好にする。Cr、Zr、Fe、Coそれぞれの含有量は、好ましくは0.050〜0.500質量%、さらに好ましくは0.100〜0.450質量%である。
本発明の銅合金板材は、その板材表面において、うねりモチーフ平均長さAWが5.00μm以上であり、かつ、うねりモチーフ平均深さWが0.50μm以上である。図1を参照して、上記で説明したように、うねりモチーフ平均長さAWは好ましくは5.50μm以上である。うねりモチーフ平均深さWは好ましくは0.55μm以上である。さらに好ましくは、うねりモチーフ平均長さAWが6.00μm以上であり、かつ、うねりモチーフ平均深さWが0.60μm以上である。これらの上限値は特に制限されるものではないが、通常、うねりモチーフ平均長さAWは10.00μm以下であり、うねりモチーフ平均深さWは1.10μm以下である。銅合金板材の表面において、うねりモチーフ平均長さAWを5.00μm以上に制御し、かつ、うねりモチーフ平均深さWを0.50μm以上に制御することで、曲げ加工性、耐摩耗性に優れた、電気・電子機器や自動車積載用部品などの用途に好適な銅合金を得ることができる。このようにうねりモチーフ平均長さAWとうねりモチーフ平均深さWの両方を適正に制御することによって、曲げ加工後の表面が均一変形できる表面性状となり、摩耗の開始点となる極微小な凹凸を除くことができ、局所的な摩耗の進行を防止して、耐摩耗性が向上すると考えられる。
本発明の銅合金板材は、その板材表面において、表面粗さRaが0.20μm以下であることが好ましい。表面粗さRaはさらに好ましくは0.08〜0.18μmである。銅合金板材の表面において、表面粗さRaを0.20μm以下に制御することで、曲げ加工性と耐摩耗性を向上させることができる。ここで、表面粗さRaとは、JIS B 0631: 2000で規定された算術平均粗さである。
本発明の銅合金板材は、EBSD測定における結晶方位解析において、銅合金板材の表面から板厚の1/8の位置に至るまでの表層部のCube方位{0 0 1}<1 0 0>を有する結晶粒が板材の圧延面の5.0%以上の面積率を有することが好ましい。この板材表層部のCube方位を有する結晶粒の面積率は、さらに好ましくは8.0%以上である。板材表層部のCube方位を有する結晶粒の面積率の上限値は特に制限されるものではないが、通常、30.0%以下である。本発明においては、板厚をtとして、板材表面(0t)から板厚方向に1/8tの位置までの深さ領域を板材の表層部という。本書においては、この表層部を便宜的に「表層部(0t〜1/8t)」とも表す。また、「Cube方位{0 0 1}<1 0 0>を有する結晶粒」を「Cube方位結晶粒」とも略記する。
本書においてクラックとは、材料表面の傷であって、結晶粒1個分以上、結晶粒同士の界面が離間したものをいう。
銅合金中のCube方位結晶粒の面積率について、板厚方向での分布を調査するため、研磨量を変更して測定を行った。板厚方向から表層部(0t〜1/8t)の組織を観察するためには、試験片の裏面をマスキングし、表面だけ電解研磨を行う。この際、試験片表面が鏡面仕上げになっている点、研磨量が最小限である点に注意しながら研磨を行う。実際には、ここでの電解研磨による研磨量の微調整により、0t〜1/8tの組織を把握することが出来るようになり、EBSD解析にて詳細な解析が可能となることがわかった。準備した試験片の測定は、EBSDによる方位解析にて300μm×300μmの範囲を0.1μmステップでスキャンし、Cube方位結晶粒の面積率を測定した。
本発明における上記結晶方位の解析には、EBSD法を用いる。EBSD法とは、Electron BackScatter Diffractionの略で、走査電子顕微鏡(SEM)内で試料に電子線を照射したときに生じる反射電子菊池線回折を利用した結晶方位解析技術のことである。結晶粒を200個以上含む、300μm×300μmの試料面積に対し、0.1μmステップでスキャンし、各結晶粒の結晶方位を解析する。測定面積およびスキャンステップは試料の結晶粒の大きさから300×300μmと0.1μmとする。各方位の面積率は、Cube方位{0 0 1}<1 0 0>の理想方位から±10°以内の範囲にその結晶粒の法線を有する結晶粒の面積を求め、得られた面積の全測定面積に対する割合として求めることができる。EBSDによる方位解析において得られる情報は、電子線が試料に侵入する数10nmの深さまでの方位情報を含んでいるが、測定している広さに対して充分に小さいため、本明細書中では面積率として記載した。また、方位分布は板厚方向に変化しているため、EBSDによる方位解析は板厚方向に何点かを任意にとって平均を取ることが好ましい。
また、上記範囲のCube方位の他に、板厚方向表層部には、S方位{3 2 1}<3 4 6>、Copper方位{1 2 1}<1 −1 1>、Brass方位{1
1 0}<1 −1 2>、Goss方位{1 1 0}<0 0 1>、R1方位{2 3 6}<3 8 5>、RDW方位{1 0 2}<0 −1 0>などを有する結晶粒も存在する。本発明においては、観測面(板材の圧延面)に対して、板厚方向表層部におけるCube方位結晶粒の面積率が上記の範囲にあれば、これらのCube方位以外の方位を有する結晶粒を含んでいることは許容される。
次に、本発明の銅合金板材の製造方法と好ましい製造条件について説明する。
具体的には、溶解・鋳造[工程1]、均質化熱処理[工程2]、熱間圧延[工程3]後に、水冷[工程4]、面削[工程5](面削は任意に行う)するところまでは同一であるが、この後、中間溶体化熱処理[工程9]の前に行う加工工程が異なる。すなわち、本発明においては、前記水冷[工程4]、面削[工程5](面削は任意に行う)の後で、冷間圧延1[工程6]により合計圧延率50〜90%で圧延し、次の冷間圧延2[工程7]により圧延時の張力を50〜400MPa、圧延機のロール粗度Raを0.5μm以上として、合計圧延率30%以上で圧延し、さらに、ベンダ数を9個以上とし、押込み量(インターメッシュ)が0.2%以上となるようにローラレベラ[工程8]を施すことによって、板材表層部に適度なひずみを加える。この加工工程を経ることによって、中間溶体化熱処理[工程9]の再結晶集合組織において表層部(0t〜1/8t)でのCube方位結晶粒の面積率が増加する。また、中間溶体化熱処理[工程9]後には、時効析出熱処理[工程10]、酸洗・研磨[工程11](酸洗・研磨は任意に行う)、冷間圧延3[工程12](仕上げ冷間圧延)、及び、最終焼鈍[工程13](調質焼鈍、歪取り焼鈍)を施す。なお、冷間圧延1[工程6]と冷間圧延2[工程7]は連続して行うことができる。また、冷間圧延1[工程6]と冷間圧延2[工程7]は、それぞれを複数の圧延パスで行ってもよく、その場合、全圧延パスでの圧延率の合計が前記合計圧延率となるようにする。
ここで、圧下率(または圧延率、加工率)とは圧延加工を行った時の厚さの変化率であり、圧延前の板厚をt1、圧延後の板厚をt2とした時、圧下率(%)は下記の式で表される。
圧下率R(%) R={1−(t2/t1)}×100
この冷間圧延1[工程6]においては、板材表面における凹凸を制御しつつ、併せて、板材全体に再結晶に必要な加工ひずみを加える。一方、冷間圧延2[工程7]においては、特に圧延ロールの粗度を調整することによって、表層部に優先して圧縮ひずみを加える。次のローラレベラ[工程8]においては、表層に優先して圧縮ひずみを与えて、溶体化熱処理時にCube方位を発達させるとともに、さらに、ローラレベラで加工中にうねりモチーフ平均長さとうねりモチーフ平均深さを制御する。また、ローラレベラ[工程8]においては、圧延集合組織が形成されることにより、ひずみ誘起粒界移動にて、後の中間溶体化熱処理[工程9]にてCube方位が粒成長する駆動エネルギーが与えられる。
ここで、途中のまたは最終の板材製品の表面粗度は圧延ロール粗度でも影響を受ける。圧延ロールの粗度が材料に転写され、大きいロールほど圧延材の粗度は大きい傾向がある。しかし、ロールの粗度を小さくしてしまうと、先進率がマイナスになり、スリップした状態での圧延加工になってしまうために、表面欠陥が発生する場合があり、または、板逃げ等の圧延作業性に悪影響を及ぼす現象が起こる場合もある。なお、最終の圧延で制御できる粗度にも限界があり、同じロール粗度の圧延ロールで圧延された場合、最終圧延前に提供される材料粗度が小さい程、または圧下量(加工率)が大きい程、最終圧延製品の粗度は小さくなる。
押込み量(インターメッシュ)h(%) h=(H/L)×100
本発明の銅合金板材の厚さには、特に制限はないが、好ましくは0.04〜0.50mm、さらに好ましくは0.05〜0.45mmである。
本発明の銅合金板材は、例えばコネクタ用銅合金板材に要求される特性を満足することができる。本発明の銅合金板材は下記の特性を有することが好ましい。
・板材の動摩擦係数は0.5以下であることが好ましい。下限値には特に制限はないが、通常0.1以上とする。
・0.2%耐力が700MPa以上であることが好ましい。更に好ましくは750MPa以上である。上限値には特に制限はないが、通常1200MPa以下とする。
・曲げ加工性がR/t=1.0となる180°U曲げ試験において、曲げの軸が圧延平行方向(BW曲げ)と圧延垂直方向(GW曲げ)のいずれの場合にも、曲げ加工後の表面にクラックが発生しないことが好ましい。
・導電率が25%IACS以上であることが好ましい。上限値には特に制限はないが、通常60%IACS以下とする。
なお、各特性の詳細な測定条件は特に断らない限り実施例に記載のとおりとする。
実施例1〜17については表1−1に示す組成となるように、比較例1〜18については表1−2に示す組成となるように、それぞれNi、Si、及び必要な副添加元素を含有し、残部がCuと不可避不純物からなる銅合金素材を高周波溶解炉により溶解し、これを0.1〜100℃/秒の冷却速度で鋳造[工程1]して鋳塊を得た。
板材表面のうねりモチーフ平均長さとうねりモチーフ平均深さは、JIS B 0631: 2000で規定する方法に従って測定した表面粗度測定結果より算出した。
表面粗さRaは、小坂研究所株式会社製表面粗さ計(商品名:サーフコーダSE3500)、触針先端半径2μm、測定力0.75N以下の条件を用いて測定した。表面粗さRaは、0.2μm以下である場合を良好と判断し、0.2μmを超える場合を不良と判断した。
EBSD法により、測定面積300μm×300μm、スキャンステップ0.1μmの条件で結晶方位の測定を行った。解析では、300μm×300μmのEBSD測定結果を、25ブロックに分割し、各ブロックの表層部(0t〜1/8t)でのCube方位を有する結晶粒の面積率を以下のとおり確認した。電子線は走査電子顕微鏡のWフィラメントからの熱電子を発生源とした。
さらに、EBSD測定前の研磨では、表層部(0t〜1/8t)の組織観察を行うため、電解研磨にて目的部組織を露出させた。この研磨して露出させた部分として、0t、1/10t、1/8tの3か所についてEBSDにて観察した。全3か所において、Cube方位結晶粒の測定視野に対する占有率(すなわち面積率)をそれぞれ求めた。そしてこの3か所の面積率の平均値を求め、これを表中に「表層部でのCube方位結晶粒の面積率(%)」として示した。この値が5.0%以上である場合を良好、5.0%未満である場合を不良と判断した。
圧延方向に垂直に幅0.25mm、長さ1.50mmとなるようにプレスによる打ち抜きでBW供試材、圧延方向に平行に幅0.25mm、長さ1.50mmとなるようにプレスによる打ち抜きでGW供試材を切り出した。これに曲げの軸が圧延方向に直角になるようにW曲げしたものをGW(Good Way)、圧延方向に平行になるようにW曲げしたものをBW(Bad Way)とし、90°W曲げ加工後、圧縮試験機にて180°U曲げ加工を行った。曲げ加工された表面を100倍の走査電子顕微鏡で観察し、クラックの有無を調査した。GW曲げとBW曲げのいずれにおいてもクラックが発生しなかった場合を良好と判断して表中に「A」と示し、GW曲げとBW曲げの少なくともいずれかにおいてクラックが発生した場合を不良と判断して表中に「B」と示した。
耐摩耗性の尺度として、動摩擦係数を測定し、評価した。日本伸銅協会のJCBA T311;2001(銅および銅合金板の動摩擦係数測定方法)に準拠し、板材の圧延垂直方向に、プローブの荷重100g、摺動距離10mm、30往復にて摺動試験を行った。30往復後の動摩擦係数を測定した。板材の動摩擦係数が0.5以下である場合を良好、0.5を超える場合を不良と判断する。
たわみ係数測定において、各試験片の弾性限界までの押し込み量(変位)から0.2%耐力(MPa)を算出し、強度の尺度とした。E:たわみ係数、t:板厚、L:固定端と荷重点の距離、f:変位(押込み深さ)とすると、0.2%耐力は次の式で表される。
0.2%耐力(MPa) YS={(3E/2)×t×(f/L)×1000}/L
板材の0.2%耐力が700MPa以上である場合を良好、700MPa未満の場合を不良と判断する。
20℃(±0.5℃)に保たれた恒温槽中で四端子法により比抵抗を計測して導電率を算出した。なお、端子間距離は100mmとした。板材の導電率が25%IACS以上である場合を良好、25%IACS未満の場合を不良と判断する。
2 ベンダ
3 銅合金板材(製造途中のもの)
H 入り側最大押込み量
L 上ロールの入り側−出側間距離
RD 板材の圧延平行方向
Claims (9)
- Niを1.00〜6.00質量%、Siを0.10〜2.00質量%含有し、残部が銅及び不可避不純物からなる銅合金板材であって、
板材表面のうねりモチーフ平均長さAWが5.00〜9.80μm、うねりモチーフ平均深さWが0.50〜1.10μmおよび前記銅合金板材の表面粗さRaが0.06〜0.20μmであることを特徴とする銅合金板材。 - Niを1.00〜6.00質量%、Siを0.10〜2.00質量%含有し、並びにBを0.100質量%以下、Mgを0.180質量%以下、Pを0.050質量%以下、Crを0.500質量%以下、Mnを0.160質量%以下、Feを0.050質量%以下、Coを0.050質量%以下、Znを0.510質量%以下、Zrを0.100質量%以下、Agを0.050質量%以下およびSnを0.500質量%以下からなる群から選ばれる少なくとも1種を合計で0.000〜3.000質量%含有し、残部が銅及び不可避不純物からなる銅合金板材であって、
板材表面のうねりモチーフ平均長さAWが5.00〜9.80μm、うねりモチーフ平均深さWが0.50〜1.10μmおよび前記銅合金板材の表面粗さRaが0.06〜0.20μmであることを特徴とする銅合金板材。 - 前記銅合金板材の表面から板厚の1/8の位置に至るまでの表層部において、前記銅合金板材の圧延面に対してCube方位を有する結晶粒が5.0%以上の面積率を有する、請求項1または2に記載の銅合金板材。
- 前記銅合金板材の圧延垂直方向に荷重100gで30往復の摺動試験をした後の動摩擦係数が0.5以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の銅合金板材。
- 前記銅合金板材の180°U曲げ試験において曲げの軸が圧延平行方向と圧延垂直方向のいずれの場合にもクラックなく曲げ加工が可能である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の銅合金板材。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の銅合金板材からなるコネクタ。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の銅合金板材を製造する方法であり、前記銅合金板材を与える合金成分組成からなる銅合金素材を溶解・鋳造[工程1]した後、均質化熱処理[工程2]、熱間圧延[工程3]、水冷[工程4]、冷間圧延1[工程6]、冷間圧延2[工程7]、ローラレベラ[工程8]、中間溶体化熱処理[工程9]、時効析出熱処理[工程10]、冷間圧延3[工程12]、及び最終焼鈍[工程13]、の各工程をこの順に施す銅合金板材の製造方法であって、
前記冷間圧延1[工程6]は、合計加工率50〜90%で加工を行い、
前記冷間圧延2[工程7]は、圧延時の張力を50〜400MPaとし、圧延機のロール粗度Raを0.5μm以上とし、合計加工率30%以上で加工を行い、
前記ローラレベラ[工程8]は、ベンダ数を9個以上とし、押込み量としてのインターメッシュが0.2%以上となる加工を行うことを特徴とする銅合金板材の製造方法。 - 前記水冷[工程4]と前記冷間圧延1[工程6]との間に、面削[工程5]を施す、請求項7に記載の銅合金板材の製造方法。
- 前記時効析出熱処理[工程10]と前記冷間圧延3[工程12]との間に、酸洗・研磨[工程11]を施す、請求項7または8に記載の銅合金板材の製造方法。
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