JPH05170520A - Fiber-reinforced ceramics - Google Patents
Fiber-reinforced ceramicsInfo
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- JPH05170520A JPH05170520A JP3342844A JP34284491A JPH05170520A JP H05170520 A JPH05170520 A JP H05170520A JP 3342844 A JP3342844 A JP 3342844A JP 34284491 A JP34284491 A JP 34284491A JP H05170520 A JPH05170520 A JP H05170520A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ウイスカー等の繊維状
物質を含有する繊維強化セラミックスに関し、より詳細
には高靱性に優れた特に工具材料として適した繊維強化
セラミックスに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fiber reinforced ceramic containing a fibrous substance such as whiskers, and more particularly to a fiber reinforced ceramic excellent in high toughness and particularly suitable as a tool material.
【0002】[0002]
【従来技術】従来から使用されているアルミナ(以下、
Al2 O3 と称する)質焼結体は耐摩耗性に優れる反
面、靱性に劣るという欠点があるため従来から種々の提
案がなされている。2. Description of the Related Art Conventionally used alumina (hereinafter,
Al 2 O 3 and referred to) whereas quality sintered body excellent in wear resistance, various proposals have been made because of the inferior toughness.
【0003】その1つに、Al2 O3 に炭化珪素(以
下、SiCと称する)ウイスカーに代表される繊維状物
質を配合することにより靱性を改善することが、特開昭
61−286271号公報や特開昭62−41776号
公報等に開示されている。One of them is to improve the toughness by blending Al 2 O 3 with a fibrous substance typified by silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) whiskers. JP-A-61-28671 And JP-A-62-41776.
【0004】これらの繊維強化セラミックスはいずれも
Al2 O3 を主体とし、これにSiCウイスカーを添加
し、ホットプレス等により焼成したものである。All of these fiber-reinforced ceramics are mainly composed of Al 2 O 3 , SiC whiskers are added to the mixture, and the mixture is fired by hot pressing or the like.
【0005】このようなSiCウイスカーを含有する繊
維強化セラミックスはSiC自体の硬度が高く、熱伝導
性が良いため、切削工具として用いた場合、一部の超耐
熱合金の切削(インコネル718の荒切削)では優れた
切削性能を示す。Since fiber-reinforced ceramics containing such SiC whiskers has high hardness of SiC itself and good thermal conductivity, when used as a cutting tool, some superheat-resistant alloys are cut (rough cutting of Inconel 718). ) Shows excellent cutting performance.
【0006】また、繊維状物質としてSiCウイスカー
以外に炭化チタン(以下、TiCと称する)ウイスカー
を用いることも提案されている(特開平2−13336
9号公報等参照)。Further, it has been proposed to use titanium carbide (hereinafter referred to as TiC) whiskers as the fibrous material in addition to the SiC whiskers (JP-A-2-13336).
9).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、Si
Cは鉄、特に酸化鉄と容易に反応するため、Al2 O3
−SiCウイスカー系の工具は多くの場合、他のAl2
O3 を主体とする工具に比較して摩耗量が多くなる傾向
にある。例えばSUS304を切削した場合、従来のA
l2 O3 系工具であれば、十分切削可能な条件であって
もSiCウイスカーを含有する工具では急激に摩耗が進
行し、切削不可能となる場合がある。また、鋳鉄を切削
する場合においてもAl2 O3 系工具よりも摩耗量が多
くなることが確認されている。[Problems to be Solved by the Invention] However, Si
Since C easily reacts with iron, especially iron oxide, Al 2 O 3
-SiC whisker-based tools often use other Al 2
The amount of wear tends to increase as compared with tools mainly containing O 3 . For example, when SUS304 is cut, conventional A
If it is an l 2 O 3 system tool, even if it is under a condition where it can be sufficiently cut, a tool containing SiC whiskers may rapidly wear and become uncut. Further, it has been confirmed that the amount of wear is larger than that of an Al 2 O 3 system tool when cutting cast iron.
【0008】また、Al2 O3 −TiCウイスカー系工
具では靱性の向上は見られるが、それでも充分ではな
く、切削中過大な負荷が生じた場合に欠損し易いという
欠点があった。Further, although the Al 2 O 3 -TiC whisker-based tool shows an improvement in toughness, it is not sufficient, and it has a drawback that it tends to be broken when an excessive load is generated during cutting.
【0009】[0009]
【問題点を解決するための手段】本発明者等は上記の問
題点に対し検討を重ねた結果、Al2 O3 を主成分とす
る複合材料において、焼結体中にTiの炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
とを含有させ、これらのうちの一部をウイスカーとする
と、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適
用可能な繊維強化セラミックスが得られることを知見し
た。[Means for Solving the Problems] The inventors of the present invention have made extensive studies on the above problems, and as a result, in the composite material containing Al 2 O 3 as a main component, Ti carbide and nitriding It is high if one or two or more kinds of a metal and a carbonitride and one or two or more of a Si carbide, a nitride and a carbonitride are contained, and a part of them is used as a whisker. It has been found that a fiber-reinforced ceramic having toughness and sufficiently applicable to the cutting of iron-based materials can be obtained.
【0010】さらに、本発明者等は、上記Al2 O3 に
Ti及びSiの炭化物,窒化物等と、Ti及びSiの炭
化物,窒化物等のウイスカーを混入したセラミックにお
いて、最適な焼結助剤を見出すことにより、従来のAl
2 O3 −SiCウイスカー添加系よりも優れた靱性等の
機械的特性を有する材料を得ることができることを知見
した。Further, the inventors of the present invention have found that the optimum sintering aid for ceramics in which the above Al 2 O 3 is mixed with carbides and nitrides of Ti and Si and whiskers such as carbides and nitrides of Ti and Si. By finding the agent, conventional Al
It has been found that a material having mechanical properties such as toughness superior to that of the 2 O 3 -SiC whisker addition system can be obtained.
【0011】即ち、本発明は、Tiの炭化物,窒化物お
よび炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上と
を合計10〜60体積%含有し、残部が酸化アルミニウ
ムと不可避不純物からなり、かつ、上記TiおよびSi
の炭化物,窒化物,炭窒化物のうち10〜95体積%が
ウイスカーで構成された組成を有することを特徴とする
繊維強化セラミックスである。この繊維強化セラミック
スには、焼結助剤としてMg,Ti,Si,Zr及び希
土類元素の酸化物のうち1種または2種以上を0.1〜
10重量%含有していることが望ましい。That is, according to the present invention, one or more of Ti carbides, nitrides and carbonitrides and one or more of Si carbides, nitrides and carbonitrides are added together. 10 to 60% by volume, the balance consisting of aluminum oxide and unavoidable impurities, and the above Ti and Si
10 to 95% by volume of the carbides, nitrides, and carbonitrides of 1. have a composition composed of whiskers. This fiber-reinforced ceramic contains 0.1 to 1 kind or 2 or more kinds of oxides of Mg, Ti, Si, Zr and rare earth elements as a sintering aid.
It is desirable to contain 10% by weight.
【0012】以下、本発明を詳述する。The present invention will be described in detail below.
【0013】本発明の繊維強化セラミックスによれば、
Tiの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または
2種以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のう
ち1種または2種以上とを10〜60体積%、特に20
〜45体積%の割合で分散含有させ、ウイスカーとして
アスペクト比1.5以上の粒子を、Ti及びSiの炭化
物,窒化物および炭窒化物のうち10〜95体積%、特
に20〜90体積%存在させる。According to the fiber-reinforced ceramics of the present invention,
10 to 60% by volume of one or more of Ti carbide, nitride and carbonitride and one or more of Si carbide, nitride and carbonitride, especially 20
~ 45 volume% dispersedly contained, and particles having an aspect ratio of 1.5 or more as whiskers are present in 10 to 95 volume%, particularly 20 to 90 volume% of Ti and Si carbides, nitrides and carbonitrides. Let
【0014】ここで、Ti及びSiの炭化物,窒化物お
よび炭窒化物の量を上記の範囲に限定した理由は、その
量が10体積%を下回るとAl2 O3 の粒成長を抑制す
る効果が弱くなり、60体積%を越えると焼結性が低下
し、かつ、破壊靱性,抗折強度も低下するからである。
また、ウイスカーの量を、Ti及びSiの炭化物,窒化
物および炭窒化物のうちの10〜95体積%に限定した
のは10体積%未満では焼結体の靱性の向上が認められ
ないからであり、95体積%より多いと、焼結性が低下
し、抗折強度が低下するからである。Here, the reason why the amounts of the carbides, nitrides and carbonitrides of Ti and Si are limited to the above range is that when the amount is less than 10% by volume, the grain growth of Al 2 O 3 is suppressed. Is weakened, and if it exceeds 60% by volume, the sinterability is lowered, and the fracture toughness and the bending strength are also lowered.
Further, the amount of whiskers is limited to 10 to 95% by volume of the carbides, nitrides and carbonitrides of Ti and Si, because if the amount is less than 10% by volume, the toughness of the sintered body is not improved. This is because if it is more than 95% by volume, the sinterability is lowered and the bending strength is lowered.
【0015】また、本発明によれば、上記のAl2 O3
−Ti及びSi系材料における焼結性を改善するために
焼結助剤を配合する。用いる焼結助剤としては、Mg,
Si,Ti,Zrおよび希土類元素の酸化物のうち少な
くとも1種が挙げられ、具体的には、Yb,Nd,E
r,Ce,Sm,Y,Gd,DyおよびLaが挙げられ
る。これらの焼結助剤は全量中0.1乃至10重量%、
特に0.3乃至7重量%の割合で含有される。上記助剤
の量が0.1重量%未満では焼結性が悪く緻密な材料が
得られず、ウイスカー添加系における靱性の改善がなさ
れない。また、10重量%を越えても靱性の向上に寄与
せず、硬度や抗折強度の低下を生ずる。According to the present invention, the above Al 2 O 3 is also used.
-A sintering aid is added to improve the sinterability in Ti and Si-based materials. As the sintering aid used, Mg,
At least one kind of oxides of Si, Ti, Zr and rare earth elements is mentioned, and specifically, Yb, Nd, E
r, Ce, Sm, Y, Gd, Dy and La are mentioned. These sintering aids are 0.1 to 10% by weight in the total amount,
In particular, it is contained in a proportion of 0.3 to 7% by weight. If the amount of the auxiliary agent is less than 0.1% by weight, the sinterability is poor and a dense material cannot be obtained, and the toughness in the whisker addition system cannot be improved. Further, even if it exceeds 10% by weight, it does not contribute to the improvement of the toughness, and the hardness and the bending strength decrease.
【0016】本発明の繊維強化セラミックスの製造に際
しては、原料としてAl2 O3 と、Ti炭化物,窒化物
および炭窒化物のうち1種または2種以上と、Siの炭
化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種以上
を用い、これに焼結助剤を添加混合する。In the production of the fiber reinforced ceramics of the present invention, Al 2 O 3 as a raw material, one or more of Ti carbide, nitride and carbonitride, and Si carbide, nitride and carbonitride. One or more of these materials are used, and a sintering aid is added and mixed thereto.
【0017】本発明において用いられるウイスカーはそ
れ自体、単結晶あるいは多結晶からなるもので、その平
均径(短軸長)が2μm以下、特に0.2乃至0.7μ
mが好ましく、また、長径/短径で表されるアスペクト
比の平均が3〜100、特に10乃至30のものが用い
られる。平均径が2μm以下では焼結時の粒成長が過度
にならず、高い抗折強度を維持できるのに対し、平均径
が2μmより大きいと焼結時の結晶粒子の粒成長が著し
く、粒子径のコントロールが難しくなり、強度が低下し
靱性にばらつきが生じる。また、切削工具として用いた
際に逃げ面の境界摩耗が大きくなる傾向にある。The whiskers used in the present invention are composed of a single crystal or a polycrystal, and have an average diameter (minor axis length) of 2 μm or less, particularly 0.2 to 0.7 μm.
m is preferable, and those having an average aspect ratio represented by major axis / minor axis of 3 to 100, particularly 10 to 30, are used. If the average diameter is 2 μm or less, the grain growth during sintering does not become excessive and high bending strength can be maintained, whereas if the average diameter is larger than 2 μm, the grain growth of crystal particles during sintering is remarkable, and the grain size is large. Becomes difficult to control, the strength decreases, and the toughness varies. Further, when used as a cutting tool, the boundary wear of the flank tends to increase.
【0018】一方、アスペクト比の平均が3より小さい
と繊維強化の効果が少なくなり靱性が低下し、100よ
り大きいと原料の取扱いが難しく、均一に分散できない
ために靱性が低下する傾向にある。尚、この場合でも一
部を粉砕しながら混合すれば問題なく使用できる。On the other hand, if the average aspect ratio is less than 3, the effect of fiber reinforcement is reduced and the toughness is reduced, and if it is more than 100, the raw material is difficult to handle and it is difficult to disperse it uniformly, so that the toughness tends to be reduced. Even in this case, if a part of them is pulverized and mixed, they can be used without problems.
【0019】Ti及びSiの炭化物,窒化物および炭窒
化物としては、その大きさ及び形状は任意に選択できる
が、粒成長抑制効果を大きくするためには平均粒径3μ
m以下が良い。The Ti and Si carbides, nitrides and carbonitrides can be arbitrarily selected in size and shape, but in order to increase the grain growth suppressing effect, the average grain size is 3 μm.
m or less is good.
【0020】尚、本発明によれば、TiC成分とAl2
O3 成分との混合において、ウイスカーは焼成によりそ
のアスペクト比が小さくなる傾向にあるため、焼結体中
に存在させようとする量より若干多めの量で混合するこ
とが望ましい。According to the present invention, the TiC component and Al 2
In the mixing with the O 3 component, whiskers tend to have a small aspect ratio due to firing, and therefore it is desirable to mix the whiskers in an amount slightly larger than the amount to be present in the sintered body.
【0021】上記の各原料の混合物は、造粒及び乾燥に
よりウイスカーを均一に分散させる。また、スラリーを
噴霧乾燥することによりウイスカーを凝集させたりし
て、組織をコントロールとしても良い。そして、この混
合物を、所望の成形手段、例えば、金型プレス,冷間静
水圧プレス,押し出し成形等により成形した後、焼成す
る。焼成は普通焼成,ホットプレス法,熱間静水圧焼成
法等が適用される。Whiskers are uniformly dispersed in the mixture of the above raw materials by granulation and drying. Further, the structure may be controlled by agglomerating the whiskers by spray-drying the slurry. Then, this mixture is molded by a desired molding means, for example, a die press, a cold isostatic press, an extrusion molding or the like, and then fired. Normal firing, hot pressing, hot isostatic firing, etc. are applied for firing.
【0022】焼成は温度1450〜1950℃でAr,
He等の不活性ガスもしくはカーボン等の存在する還元
性雰囲気およびそれらの加圧もしくは減圧雰囲気で0.
5乃至6.0時間行えば良く、特に高密度の焼結体を得
るためには、普通焼成、ホットプレス法により対理論密
度比96%以上の焼結体を作成し、さらに熱間静水圧焼
成により500〜2000気圧,1450〜1950℃
で焼成すれば良い。The firing is carried out at a temperature of 1450 to 1950 ° C. with Ar,
In a reducing atmosphere in which an inert gas such as He or carbon is present, and in a pressurized or depressurized atmosphere thereof, a pressure of 0.
It may be carried out for 5 to 6.0 hours. To obtain a particularly high density sintered body, a sintered body having a theoretical density ratio of 96% or more is prepared by ordinary firing and hot pressing, and further hot isostatic pressure is applied. 500 to 2000 atm, 1450 to 1950 ° C by firing
It can be baked in.
【0023】[0023]
【作用】本発明の繊維強化セラミックスでは、ウイスカ
ーの配合により、Al2 O3 自体の有する特性を維持し
つつ、焼結体の靱性及び耐摩耗性を大きく改善するとと
もに、Si,Tiの配合によりAl2 O3 の粒成長を抑
制し、焼結体の強度等の特性を向上することができる。
即ち、高い靱性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分
適用可能となる。In the fiber-reinforced ceramics of the present invention, whiskers are added to improve the toughness and wear resistance of the sintered body while maintaining the characteristics of Al 2 O 3 itself. It is possible to suppress grain growth of Al 2 O 3 and improve properties such as strength of the sintered body.
That is, it has high toughness and can be sufficiently applied to the cutting of iron-based materials.
【0024】また、最適な焼結助剤を添加することによ
り、焼結性を向上することができるとともに、靱性等の
特性を向上することができる。Further, by adding an optimum sintering aid, the sinterability can be improved and the characteristics such as toughness can be improved.
【0025】[0025]
【実施例】平均粒径1μm以下、純度99.9%以上の
Al2 O3 粉末と、平均粒径1μm以下のTiの炭化
物,窒化物,炭窒化物粉末の1種または2種以上と、平
均粒径1μm以下のSiの炭化物,窒化物,炭窒化物粉
末の1種または2種以上と、焼結助剤粉末を組成が表1
および表2となるように秤量した後、アトリッションミ
ルで12時間混合粉砕した。この混合粉末にアスペクト
比が10乃至60のウイスカーを所定量添加し、ナイロ
ンポット中にナイロンボールとともに密封し、回転ミル
で12時間混合を行った。混合後のスラリーを乾燥して
ホットプレス用原料とした。EXAMPLES Al 2 O 3 powder having an average particle size of 1 μm or less and a purity of 99.9% or more, and one or more kinds of Ti carbide, nitride and carbonitride powders having an average particle size of 1 μm or less, The composition of one or more of Si carbide, nitride, and carbonitride powders having an average particle diameter of 1 μm or less and a sintering aid powder is shown in Table 1.
And, after weighing so as to be in Table 2, they were mixed and pulverized by an attrition mill for 12 hours. A predetermined amount of whiskers having an aspect ratio of 10 to 60 was added to this mixed powder, and the whiskers were sealed together with nylon balls in a nylon pot and mixed in a rotary mill for 12 hours. The mixed slurry was dried to obtain a raw material for hot pressing.
【0026】[0026]
【表1】 [Table 1]
【0027】[0027]
【表2】 [Table 2]
【0028】この原料をカーボン型に充填し、1700
〜1920℃で1時間、300kg/mm 2 の圧力でホット
プレス焼成して、JIS1601に基づく3点曲げ抗折
強度、ビッカース硬度、また鏡面状態にポリッシングし
てIM法でK1cを測定した。尚、焼結体中のアスペク
ト比1.5以上のウイスカーは電子顕微鏡写真からの面
分析により求めた。A carbon mold was filled with this raw material, and 1700
K1c was measured by IM method by hot press firing at a pressure of 300 kg / mm 2 for 1 hour at ˜1920 ° C., three-point bending bending strength based on JIS1601, Vickers hardness, and polishing to a mirror surface state by IM method. The whiskers with an aspect ratio of 1.5 or more in the sintered body were obtained by surface analysis from electron micrographs.
【0029】工具摩耗寿命を調査するための切削試験を
下記の条件で行った。A cutting test for investigating the tool wear life was conducted under the following conditions.
【0030】被削材 :インコネル718 切削速度(V) :300m/min 送り速度(f) :0.1mm/rev 切り込み(t) :2.0mm 切削油 :水溶性 寿命判定(mm):欠損するまでの切削時間 工具形状 :RNGN 120416 試験結果を表3に示す。Work Material: Inconel 718 Cutting Speed (V): 300 m / min Feed Speed (f): 0.1 mm / rev Depth of Cut (t): 2.0 mm Cutting Oil: Water-soluble Life Judgment (mm): Defect Cutting time until Tool shape: RNGN 120416 Table 3 shows the test results.
【0031】[0031]
【表3】 [Table 3]
【0032】表3によれば、本発明の焼結材料の試料
(No.3,4,6〜12および14〜19)はいずれも
比較例(No.1,2,5,13,20)と比較して長寿
命であり、さらに、靱性,強度,硬度等に優れており、
長期にわたって優れた切削性能を発揮することが明らか
になった。According to Table 3, all the samples (No. 3, 4, 6-12 and 14-19) of the sintered material of the present invention are comparative examples (No. 1, 2, 5, 13, 20). It has a longer life than that of, and is superior in toughness, strength, hardness, etc.,
It has been revealed that excellent cutting performance is exhibited over a long period of time.
【0033】[0033]
【発明の効果】本発明の繊維強化セラミックスは、Ti
の炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1種または2種
以上と、Siの炭化物,窒化物および炭窒化物のうち1
種または2種以上とを合計10〜60体積%含有し、残
部が酸化アルミニウムと不可避不純物からなり、かつ、
上記TiおよびSiの炭化物,窒化物,炭窒化物のうち
10〜95体積%がウイスカーで構成したので、高い靱
性を有し、かつ、鉄系材料の切削にも充分適用可能な優
れた特性の繊維強化セラミックスを得ることができる。The fiber-reinforced ceramics of the present invention are made of Ti
One or more of the above carbides, nitrides and carbonitrides and one of the Si carbides, nitrides and carbonitrides
Content of 10 to 60% by volume in total, and the balance consisting of aluminum oxide and inevitable impurities, and
Since 10 to 95% by volume of the above carbides, nitrides, and carbonitrides of Ti and Si are composed of whiskers, they have high toughness and excellent characteristics that are sufficiently applicable to cutting of iron-based materials. Fiber-reinforced ceramics can be obtained.
Claims (2)
ち1種または2種以上と、Siの炭化物,窒化物および
炭窒化物のうち1種または2種以上とを合計10〜60
体積%含有し、残部が酸化アルミニウムと不可避不純物
からなり、かつ、上記TiおよびSiの炭化物,窒化
物,炭窒化物のうち10〜95体積%がウイスカーで構
成された組成を有することを特徴とする繊維強化セラミ
ックス。1. A total of 10 to 60 of one or more of Ti carbides, nitrides and carbonitrides and one or more of Si carbides, nitrides and carbonitrides.
It is characterized in that it contains 10% by volume of 10% to 95% by volume of the above carbides, nitrides, and carbonitrides of Ti and Si containing whiskers. Fiber reinforced ceramics.
及び希土類元素の酸化物のうち1種または2種以上を
0.1〜10重量%含有していることを特徴とする請求
項1記載の繊維強化セラミックス。2. Mg, Ti, Si, Zr as a sintering aid
2. The fiber-reinforced ceramics according to claim 1, which contains 0.1 to 10% by weight of one or more oxides of rare earth elements.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3342844A JPH05170520A (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Fiber-reinforced ceramics |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3342844A JPH05170520A (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Fiber-reinforced ceramics |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05170520A true JPH05170520A (en) | 1993-07-09 |
Family
ID=18356934
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3342844A Pending JPH05170520A (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Fiber-reinforced ceramics |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05170520A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104233512A (en) * | 2014-09-24 | 2014-12-24 | 中国科学院过程工程研究所 | Composite ceramic fiber and preparation method thereof |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP3342844A patent/JPH05170520A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104233512A (en) * | 2014-09-24 | 2014-12-24 | 中国科学院过程工程研究所 | Composite ceramic fiber and preparation method thereof |
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