JP6299694B2 - スパークプラグ用碍子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミナ焼結体を基材とするスパークプラグ用碍子の製造方法に関する。

内燃機関のスパークプラグ用碍子は、高耐電圧セラミック絶縁材料からなり、従来、アルミナ粉末を所望の成形形状に押し固めた後、１〜２時間程度、アルミナが焼結される条件で保持することで得られる。従来技術として、特許文献１があり、絶縁材料に添加される焼結助剤に周期表第２族成分及び希土類成分を加え、各成分の含有率を調整することで、高耐電圧を実現している。

特開２０１３−１７５３８１号公報

しかしながら、特許文献１の絶縁材料は、所望の特性を得るために、結晶相の粒子径、ガラス相との面積比、両相の界面に形成される中間相の組成等が、ごく限られた範囲に限定される。このため、焼結助剤を含む原料粉末の調合のみならず、製造工程を高度に制御する必要があり、また、焼結進行そのものは抑える方向に調整せざるを得ないため、長時間焼結による生産性の低下が懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、原料粉末の調合や製造工程を高度に制御する必要がなく、また、長時間の焼結を必要とせずに、耐電圧特性を向上させて、高い生産性を実現可能なスパークプラグ用碍子の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
平均粒径が２μｍ〜５μｍのアルミナ原料粉末と成形助剤からなる成形原料をアルミナ成形体とする成形工程と、
該アルミナ成形体を焼成して、スパークプラグ用碍子となるアルミナ焼結体とする焼成工程と、を有しており、
上記焼成工程において、
上記アルミナ成形体を、加熱手段により７００℃〜１６００℃に加熱される加熱ゾーンを備えた連続炉に搬入し、該連続炉に酸素ガスを導入して、上記加熱ゾーン内を、酸素濃度が２０モル％を上回る高酸素雰囲気に制御する、スパークプラグ用碍子の製造方法にある。

上記スパークプラグ用碍子の製造方法においては、連続炉の加熱ゾーンに酸素ガスを導入することで、２０モル％以上の高酸素雰囲気下での焼成を行う。アルミナ焼結体は、焼成過程で、隣り合うアルミナ粒子同士が収縮しながら結合する際に、粒子間の隙間に雰囲気ガスが閉じ込められるが、そのうち酸素ガスは、１２００℃以上の高温でアルミナ粒子を透過して放出されることが判明している。そのため、雰囲気ガス中の酸素濃度を高め、焼結時に酸素を放出させることで、粒子間の隙間をより小さくし、アルミナの焼結を促進することができる。

したがって、平均粒径が比較的大きいアルミナ原料粉末を使用して、短時間で高い焼結密度を実現できる。また、原料粉末に焼結助剤を添加する必要がなく、原料配合や焼成工程を高度に制御する必要がないので、工業的に有利であり、高耐電圧特性を有するスパークプラグ用碍子を生産性良く製造できる。
以上のごとく、上記態様によれば、焼結助剤の組成を変えることなく、長時間の焼結を必要とせずに、耐電圧特性を向上させて、高い生産性を実現可能なスパークプラグ用碍子の製造方法を提供することができる。

実施形態１における、スパークプラグ用碍子の製造工程図。 実施形態１における、スパークプラグ用碍子を備えるスパークプラグの全体構造を示す一部断面図。 実施形態１における、スパークプラグ用碍子の焼成工程に用いられる連続炉の詳細構成例を示す全体断面図。 実施例における、酸素分圧と耐電圧特性の関係を示す図。 実施例における、焼結時間と焼結密度の関係を示す図。 実施例における、酸素流量と焼結時間の関係を示す図。

（実施形態１）
スパークプラグ用碍子の製造方法に係る実施形態１について、図１〜図３により説明する。図１に示すように、スパークプラグ用碍子１は、アルミナ焼結体１２を基材とする所定形状の電気絶縁体であり、成形工程（Ａ）で成形したアルミナ成形体１１を、焼成工程（Ｂ）で焼成して、アルミナ焼結体１２とする。焼成工程（Ｂ）には、加熱ゾーンを有する連続炉１００を用い、酸素を導入することにより、加熱ゾーン内を、酸素濃度が２０モル％を上回る高酸素雰囲気に制御する。得られたアルミナ焼結体１２は、研削工程（Ｃ）で所定形状に研削されて、スパークプラグ用碍子１となる。以下、各工程の詳細を説明する。

成形工程（Ａ）は、平均粒径が２μｍ〜５μｍのアルミナ原料粉末と成形助剤からなる成形原料をアルミナ成形体１１とする工程である。成形原料となるアルミナ原料粉末には、不可避不純物以外にＡｌ以外の金属元素を含まない高純度アルミナを用いることが望ましい。成形助剤には、公知の有機バインダを用いることができる。また、成形原料には、通常、焼結助剤は添加されない。成形工程（Ａ）には、公知の加圧成形装置を用いることができ、例えば、一対の型の間に形成される筒状空間に、成形原料を充填し、加圧することにより行われる。

焼成工程（Ｂ）は、得られた成形体１１を焼成して、スパークプラグ用碍子１となるアルミナ焼結体１２とする工程である。アルミナ成形体１１は、トンネル炉構造の連続炉１００に搬入され、搬送路２０１上に載置された容器２０２に収容された状態で、連続炉１００内の加熱ゾーンを通過する間にアルミナ焼結体１２となる。連続炉１００には、加熱ゾーンを７００〜１６００℃に加熱するための加熱手段が設けられる。加熱手段は、任意に選択することができるが、好適には、加熱ゾーンの酸素を消費しない加熱手段、例えば、電気式加熱装置が用いられる。電気式加熱装置は、電気ヒータ等の抵抗加熱方式の他、誘導加熱方式の装置を用いることもできる。加熱ゾーン内を所定の高酸素濃度に保つことが可能であれば、ガスバーナ式加熱装置を用いてもよい。

研削工程（Ｃ）は、アルミナ焼結体１２を研削して製品形状とする工程である。研削工程（Ｃ）には、公知の研削装置を用いることができる。例えば、製品形状に対応する研削具を、アルミナ焼結体１２の外周面に当接させることにより、スパークプラグ用碍子１に研削加工される。

図２は、自動車用エンジンに適用されるスパークプラグＰの構成例であり、筒状のスパークプラグ用碍子１と、その外周を保持する筒状の金属ハウジング２と、スパークプラグ用碍子１の内側に保持される端子金具３及び中心電極４と、金属ハウジング２に固定される接地電極５を有する。中心電極４は、先端部がスパークプラグ用碍子１の筒外に突出し、Ｌ字状に屈曲する接地電極５の先端部と、ギャップＧを有して対向している。端子金具３と中心電極４の間には、銅ガラスからなるガラスシール７を介してカーボンを混合したガラスを主成分とするレジスタ６が配設される。金属ハウジング２は、外周に取付ネジ部２２が形成される先端側において、スパークプラグ用碍子１の外周段部との間に金属パッキン２１を介設し、基端側の端縁部を、金属リング２３を介してスパークプラグ用碍子１の外周段部にかしめ固定することにより、気密封止される。

図３は、連続炉１００の焼成構成例であり、図の左右方向に延びるトンネル状の炉本体と、その両端に連結されて出入口となる搬入・搬出用の開口部を備える。連続炉１００の内部には、多数の容器２０２を搬送するための搬送路２０１が長手方向に形成される。搬送路２０１は、例えば、ローラ式コンベアとして構成されており、搬送方向（すなわち、長手方向）に一定間隔で設置された多数の搬送ローラからなる。各搬送ローラは、両端部が連続炉１００の側壁を貫通して回転可能かつ気密的に支持され、図示しない駆動手段によって同一方向へ回転させることにより、多数の容器２０２を搬送する。

容器２０２は、スパークプラグ用碍子１となるアルミナ成形体１１を整列させて所定数収容可能な耐熱性トレーやその積層体等とすることができ、炉本体の一端側に設けられる入口部２０３から他端側に設けられる出口部２０４へ向けて、搬送路２０１上を順に移動する。出口部２０４において、容器２０２は、図示しない移送手段によって、次工程へ移送させる。

連続炉１００は、焼成工程を制御性よく進行させるための複数の領域に区画される。炉本体の内部は、入口側から、昇温加熱室２０５、均熱加熱室２０６を備える加熱ゾーンＺ１、冷却室２０７を備える冷却ゾーンＺ２に区画されており、入口部２０３及び出口部２０４は、パージゾーンＺ３として構成される。

加熱ゾーンＺ１は、アルミナ成形体１１を予備的に加熱する昇温加熱室２０５と、所定の焼結温度以上に保持する均熱加熱室２０６からなる。加熱ゾーンＺ１には、電気式加熱手段が設置されており、例えば、昇温加熱室２０５の搬送路２０１の上下に複数の電気ヒータ４０１を配置して、搬入される容器２０２を加熱するようになっている。均熱加熱室２０６には、頂面から内部に突出する複数の熱電対４０２が配置されている。制御部４００は、熱電対４０２の検出結果を用いて、昇温加熱室２０５、均熱加熱室２０６内が、所望の温度分布となるように、電気ヒータ４０１への通電を制御する。

加熱ゾーンＺ１、冷却ゾーンＺ２には、それぞれ、酸素導入路５００及び排気路６００が接続され、内部に酸素ガスを導入して所定の酸素濃度に制御可能となっている。パージゾーンＺ３には、酸素導入路５００及び排気路６００と、窒素導入路７００が接続される。酸素導入路５００、窒素導入路７００は、それぞれ酸素源となる酸素ボンベ５０１、窒素源となる窒素ボンベ７０１に接続されている。制御部４００は、酸素導入路５００、窒素導入路７００に設けられる図示しない制御バルブを開閉制御する。これにより、加熱ゾーンＺ１、冷却ゾーンＺ２、パージゾーンＺ３への酸素ガス又は窒素ガスの導入量を制御する。

パージゾーンＺ３は、加熱ゾーンＺ１の上流に位置する入口部２０３、冷却ゾーンＺ２の下流に位置する出口部２０４に、不活性ガスである窒素ガスを噴出させ、炉内への外気の流入を遮断して焼成雰囲気の制御を容易にする。入口部２０３の頂面には、上流側から順に、窒素導入路５００から窒素ガスを導入する窒素導入口７０２、内部の雰囲気ガスを排気路６００に排出する排気口６０１、酸素導入路５００から酸素ガスを導入する酸素導入口５０２が設けられる。出口部２０４の頂面には、上流側から順に、酸素導入路５００から酸素ガスを導入する酸素導入口５０５、内部の雰囲気ガスを排気路６００に排出する排気口６０４、窒素導入路５００から窒素ガスを導入する窒素導入口７０３が設けられる。

これにより、パージゾーンＺ３では、入口部２０３、出口部２０４内の雰囲気ガスを、窒素導入手段となる窒素導入口７０２、７０３からの窒素ガスでパージする。雰囲気ガスは、酸素導入手段となる酸素導入口５０２、５０５の上流側で、排気手段となる排気口６０１、６０４から排出されるので、外気の影響を受けることなく、酸素導入口５０２、５０５からの酸素導入量によって酸素濃度を制御可能となる。

加熱ゾーンＺ１において、昇温加熱室２０５の中間部頂面には、上流側から、内部の雰囲気ガスを排気路６００に排出する排気口６０２、酸素導入路５００から酸素ガスを導入する酸素導入口５０３が設けられる。加熱ゾーンＺ１に電気式加熱装置を用いているため、燃焼用に酸素が消費されることがなく、均熱加熱室２０６への酸素導入が不要となる。これにより、装置構成が簡易になるとともに、焼成温度や雰囲気制御が容易になる。

冷却ゾーンＺ２において、冷却室２０７の下流よりの中間部頂面には、上流側から、酸素導入路５００に接続する酸素導入口５０４、排気路６００に接続する排気口６０３が設けられる。これにより、加熱ゾーンＺ１の温度を低下させることなく、炉内雰囲気の調整が可能であり、加熱ゾーンＺ１を含む炉全体を、所望の酸素濃度に安定して制御できる。また、冷却室２０７の上流部において自然放冷した容器２０２に、酸素ガスを吹き付けて冷却を促進することができる。冷却ゾーンＺ３の全長は、出口部２０４においてほぼ常温に戻るように、焼成温度や搬送速度等に応じて適宜設定される。

加熱ゾーンＺ１、冷却ゾーンＺ３において、排気口６０２、６０３は排気手段であり、酸素導入口５０３、５０４は、酸素導入手段として構成される。

上記構成の連続炉１００において、制御部４００が、所定の搬送速度で搬送路２０１を駆動すると、容器２０２とともにアルミナ成形体１１が、入口部２０３から加熱ゾーンＺ１に搬入される。加熱ゾーンＺ１では、昇温加熱室２０５を通過する間に、アルミナ成形体１１を有機バインダの燃焼温度以上（例えば、７００℃以上）に加熱し、有機バインダを燃焼除去させつつ、所定の焼成温度まで昇温させる。次いで、均熱加熱室２０６にて、一定の焼成温度で一定時間保持し、アルミナ焼結体１２とする。焼成温度は、アルミナ焼結体１２の焼結温度以上とし、通常、１２００℃〜１６００℃の範囲で適宜設定される。

制御部４００は、予め設定された焼成プロファイルに基づいて、加熱ゾーンＺ１の温度を制御するとともに、所望の高酸素濃度に調整する。アルミナ焼結体１２の耐電圧特性を向上させるには、加熱ゾーンＺ１内の酸素濃度は、少なくとも２０モル％を上回る濃度とし、好適には、大気中の酸素濃度（例えば、約２１モル％）より十分高い濃度であるとよい。例えば、４０モル％〜１００モル％となるように焼成雰囲気を調整することで、アルミナ焼結体１２の粒子間に残存する雰囲気ガスが減少し、アルミナの焼結が促進されて、従来に比し高い焼結密度を達成できる。

好適には、加熱ゾーンＺ１内の雰囲気圧を大気圧以上とし、例えば、酸素分圧が０．０４ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲となるように調整する。酸素分圧が０．０４ＭＰａ〜０．１ＭＰａであるとき、大気圧での酸素濃度が４０モル％〜１００モル％となり、高酸素濃度での焼成が実現できる。さらに、連続炉１００への酸素導入量を増加させることにより、雰囲気圧を大気圧より上昇させることができる。好適には、酸素分圧が０．０６ＭＰａ以上であるとよく、酸素分圧が高くなるほど緻密な焼結体が得られる。

このため、連続炉１００は、酸素導入路５００を加熱ゾーンＺ１のみならず、冷却ゾーンＺ２及びパージゾーンＺ３に接続し、複数の酸素導入口５０２、５０３、５０４、５０５から酸素を導入する構成としている。また、複数の排気口６０１、６０２、６０３、６０４からの炉外への雰囲気ガスの排出を調整可能である。このとき、酸素導入路５００から複数の酸素導入口５０２、５０３、５０４、５０５への酸素流量を増加するほど、均熱加熱室２０６内の酸素分圧が高くなる。

制御部４００は、例えば、排気路６００に配設した酸素濃度センサの検出結果を用いて、所望の酸素濃度となるように、酸素流量を調整する。また、酸素導入路５００からの酸素導入量と、排気路６００への雰囲気ガスの排気量を調整し、連続炉１００内の圧力を大気圧より高く維持することができる。これにより、均熱加熱室２０６の酸素分圧を、０．１ＭＰａ以上に高くすることができる。

この場合、好適には、連続炉１００の炉本体を耐圧構造とし、入口部２０３、出口部２０４と炉本体の間に耐圧扉を設ける構造とすれば、連続炉１００内の圧力をさらに高めることができ、酸素分圧を０．１ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲で調整可能である。

以上のように、本形態の製造方法によれば、焼成工程（Ｂ）における連続炉１００内の雰囲気を、所定の高酸素濃度に制御することで、耐電圧特性の高いアルミナ焼結体１２が得られる。したがって、焼結助剤を添加したり、長時間の焼結を行ったりする必要がなく、生産性が向上する。

具体的には、連続炉１００の加熱に酸素を消費しない電気ヒータ４０１等を使用し、加熱ゾーンＺ１及び冷却ゾーンＺ２に酸素導入口５０３、５０４と排気口６０２、６０３を設けて、流量を調整することにより、炉内を所望の高酸素雰囲気に制御できる。さらに、加熱ゾーンＺ１及び冷却ゾーンＺ２の上下流に、パージゾーンＺ３を設け、予め窒素置換することで、酸素濃度を精度良く制御し、得られたアルミナ焼結体１２を基材として、高耐電圧のスパークプラグ用碍子１を製造することができる。

（試験例）
次に、アルミナ焼結体１２の焼成工程（Ｂ）における酸素濃度を、図４のように変更した時の耐電圧特性への影響を調べた。
まず、成形工程（Ａ）として、アルミナ成形体１１を作製した。成形原料として、平均粒径が２μｍ〜５μｍであり、純度９９．４８％〜９９．８％の高純度アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を原料粉末として用い、成形助剤として適量の有機バインダを添加した成形原料に、水を加えてスラリー状とした。このスラリーを、乾燥、造粒した後、加圧成形することにより、碍子形状のアルミナ成形体１１を得た。

次いで、焼成工程（Ｂ）において、得られたアルミナ成形体１１を、炉内雰囲気を調整した試験用の焼結炉中で焼結させて、アルミナ焼結体１２とした。昇温速度は２０００℃／時、焼結温度は１５７０℃、保持時間は１５分間とした。焼結炉内への酸素流量を調整することにより、炉内の酸素濃度を０、１０、２０、４０、６０、８０、１００モル％（大気圧における酸素分圧０、０．０１、０．０２、０．０４、０．０６、０．０８、０．１ＭＰａ）とし、各酸素濃度について、耐電圧測定用サンプルとなる複数のアルミナ焼結体１２を製作した（すなわち、サンプル数ｎ＝５）。

公知の耐電圧測定装置を用いて、得られたアルミナ焼結体１２の耐電圧を測定した。耐電圧測定は、碍子形状のアルミナ焼結体１２の筒内に、耐電圧測定装置の内部電極を挿入し、筒外周に、円形リング状の外部電極を嵌め込んで、測定点が各サンプルで一定厚さとなるように両電極を配置した。両電極間に、定電圧電源から発振器とコイルとにより発生させた高電圧を印加し、オシロスコープでモニタしながら、一定の割合で段階的に印加電圧を上昇させて、絶縁破壊した時の印加電圧をサンプルの耐電圧（単位：ｋＶ／ｍｍ）とした。

図４に、各サンプルの耐電圧を測定した結果を、横軸を酸素濃度、縦軸を耐電圧として示す。図４に示されるように、酸素濃度の上昇とともに耐電圧が上昇し、酸素濃度が２０モル％(大気中の酸素濃度とほぼ同等）を上回ると、耐電圧が１８ｋＶ／ｍｍ以上となり、良好な結果が得られる。また、酸素濃度が４０モル％以上で、耐電圧が２０ｋＶ／ｍｍ前後ないしそれ以上となり、高酸素濃度に調整された雰囲気下で焼結させることで、耐電圧特性が向上することが確認された。

図５は、焼結炉に導入する酸素流量を２．５Ｌ／分とし（すなわち、酸素濃度１００モル％；酸素分圧０．１ＭＰａ）、焼結炉における保持時間を、１〜６０分の範囲で変更した時の、アルミナ焼結体１２の焼結密度を調べた結果である。また、焼結炉に大気を導入し（すなわち、流量２．５Ｌ／分）、同様にして得られたアルミナ焼結体１２の焼結密度を、図５中に示した。図５に示されるように、保持時間の増加とともに焼結密度が高くなっており、１５分以上の保持時間で、大気中焼成に対し、高酸素雰囲気焼成により得られたアルミナ焼結体１２の焼結密度は明らかに向上している。

次に、焼結炉に導入する酸素流量を０．５〜５Ｌ／分の範囲で変更し、同様にして得られたアルミナ焼結体１２の焼結密度を調べた。図６に示されるように、酸素流量の増加とともに焼結密度が高くなっており、酸素流量が２．５Ｌ／分の時（すなわち、酸素濃度１００モル％；酸素分圧０．１ＭＰａ）、焼結密度は約３．６５ｋＶ／ｍｍであった。酸素流量をさらに増加させると、それに伴い焼結密度が上昇しており、酸素流量が５Ｌ／分のとき、焼結密度は約３．６７ｋＶ／ｍｍであった。酸素流量の増加に伴い、炉内圧力の上昇し酸素分圧がより高くなることで、焼結性が向上していることがわかる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を超えない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態１で用いた連続炉１００は、図３に示した構成に限定されず、本発明の製造方法を実施可能な構成であればよい。このとき、搬送路２０１をローラ式コンベアとする代わりにベルト式コンベアとして構成し、あるいは台車式の搬送手段を用いることもできる。加熱ゾーンＺ１を加熱するための手段は、電気ヒータ４０１に限らず、酸素消費のない電気式加熱手段であればいずれを使用してもよい。また、電気ヒータ４０１の配置や、酸素導入路５００、排気路６００、窒素導入路７００の接続位置等は、適宜変更することができる。

１ スパークプラグ用碍子
１１ アルミナ成形体
１２ アルミナ焼結体
１００ 連続炉
４０１ 電気ヒータ（加熱手段）
５０２、５０３、５０４、５０５ 酸素導入口（酸素導入手段）
６０１、６０２、６０３、６０４ 排気口（排気手段）
Ｚ１ 加熱ゾーン
Ｚ２ 冷却ゾーン
Ｚ３ パージゾーン

Claims (7)

1. 平均粒径が２μｍ〜５μｍのアルミナ原料粉末と成形助剤からなる成形原料をアルミナ成形体（１１）とする成形工程（Ａ）と、
   該アルミナ成形体（１１）を焼成して、スパークプラグ用碍子（１）となるアルミナ焼結体（１２）とする焼成工程（Ｂ）と、を有しており、
   上記焼成工程（Ｂ）において、
   上記アルミナ成形体（１１）を、加熱手段（４０１）により７００℃〜１６００℃に加熱される加熱ゾーン（Ｚ１）を備えた連続炉（１００）に搬入し、該連続炉（１００）に酸素ガスを導入して、上記加熱ゾーン（Ｚ１）内を、酸素濃度が２０モル％を上回る高酸素雰囲気に制御する、スパークプラグ用碍子の製造方法。
2. 上記加熱手段（４０１）は、上記加熱ゾーン（Ｚ１）内の酸素を消費しない加熱手段である、請求項１に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。
3. 上記連続炉（１００）は、上記加熱ゾーン（Ｚ１）の下流側に冷却ゾーン（Ｚ２）を備えており、上記加熱ゾーン（Ｚ１）及び上記冷却ゾーン（Ｚ２）に酸素ガスを導入する酸素導入手段（５０３、５０４）を設けて、上記酸素導入手段（５０３、５０４）からの酸素導入量を調整する、請求項１又は２に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。
4. 上記加熱ゾーン（Ｚ１）の上記酸素導入手段（５０３）の上流側、及び上記冷却ゾーン（Ｚ２）の上記酸素導入手段（５０４）の下流側に排気手段（６０２、６０３）を設けて、上記酸素導入手段（５０３、５０４）からの酸素導入量と上記排気手段（６０２、６０３）からの排気量を調整する、請求項３に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。
5. 上記加熱ゾーン（Ｚ１）の上流側に、酸素導入手段（５０２）を備える入口部（２０３）を設け、上記冷却ゾーン（Ｚ２）の下流側に、酸素導入手段（５０５）を備える出口部（２０４）を設けて、上記酸素導入手段（５０２、５０５）から上記入口部（２０３）及び上記出口部（２０４）内に酸素ガスを導入する、請求項３又は４に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。
6. 上記入口部（２０３）の上記酸素導入手段（５０２）の上流側、及び上記出口部（２０４）の上記酸素導入手段（５０５）の下流側に、窒素ガスを導入する窒素導入手段（７０２、７０３）と排気手段（６０１、６０４）を有するパージゾーン（Ｚ３）を設け、窒素置換した雰囲気ガスに酸素ガスを導入する、請求項５に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。
7. 上記加熱ゾーン（Ｚ１）内の酸素分圧を０．０４ＭＰａ〜１ＭＰａに制御する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスパークプラグ用碍子の製造方法。

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