JPH07508560A - Pb含有量の少ない機械加工可能なCu合金 - Google Patents
Pb含有量の少ない機械加工可能なCu合金Info
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- JPH07508560A JPH07508560A JP6502740A JP50274094A JPH07508560A JP H07508560 A JPH07508560 A JP H07508560A JP 6502740 A JP6502740 A JP 6502740A JP 50274094 A JP50274094 A JP 50274094A JP H07508560 A JPH07508560 A JP H07508560A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
pb含有量の少ない機械加工可能なCu合金本発明は、広義の概念で言えば、機
械加工可能なCu合金に係り、とりわけ、本発明は、pbの少なくとも一部をB
iで置き換え、CuまたはZnの一部を他の元素で置き換えである、pb量を修
正した真鍮に関するものである。
快削Cu合金は、pbまたは他の添加材を含み、切削工具の切込みにより生じる
機械的な変形に伴いチップ形成と金属除去を行い易くしている。合金への添加材
は、Cu基マトリックス中に固溶することがないように選択される。合金を鋳造
し加工する際、添加材は結晶粒界の境界部および粒界内に集る。添加材によりチ
ップの剥れはよくなり、また潤滑性が加わり、切削力が小さく、工具の摩耗を最
小限にできるため機械加工性能が向上する。
CuとZnの合金である真鍮は、pbを添加することでより機械加工し易いもの
になる。Pbを添加した真鍮の一例として合金0360がある(公称組成二重量
で、Cu61.5%、Zn35.5%およびPb3%)。この合金は高い機械加
工性と優れた耐食性を有する。合金C360は、接水の可能性のある環境下で広
く用いられている。代表的な用途には水道設備や飲料水用の配管がある。
pbの摂取は人間には有害であり、神経系が発育過程にある子供には特に毒性が
強い。pbとの接触の危険性を減らすために、塗料色素からpbが取り除かれて
いる。アメリカ合衆国議会は、既に、水洗用具や水道設備におけるpb濃度を、
pbの乾燥重量で2%未満の濃度まで低減化することを提案している。従って、
目標とする数値まてpb濃度の低下した機械加工可能なCu合金、とりわけ、真
鍮を開発する必要がある。
そうした合金の一例が、Ru5hLon氏に付与された米国特許第4.879.
094号に記載されている。この特許は、実質的にpbを含まない鋳造Cu合金
を開示している。合金は、重量で、Bil、5〜7%、Zn5〜15%、5nl
−12%、および残部としてのCuを含んでいる。この合金は快削性があり、飲
料水用に適している。しかしながら、前記合金は鋳造用であり、圧延されること
はない。
合金は、押出し加工し、または機械的に成形加工することもあるため、圧延合金
であることが望ましい。最終的な形に似せたものに鋳造する必要はない。圧延合
金の資材をストックしておく方式は高速生産技術にとって都合が良く、概して、
鋳造合金を使用する場合よりも製造コストが廉価である。
他の快削真鍮が日本出願第54−135618号に記載されている。この出願に
記載されたCu合金は、Bio、5〜1.5%、Cu5B 〜65%、および残
部としてのZnを含んでいる。しかしながら、pbを1.5%以下のBiで置き
換えても、合金0360と同等の機械加工性を有する合金は得られない。
従って、本発明の目的は、pbを含まないか、またはpb量を減らした機械加工
可能な真鍮を提供することにある。本発明の特徴は、Biを真鍮に添加すること
にある。本発明の他の特徴によれば、Biが他の添加元素と共晶をし得ることで
ある。本発明の別の特徴では、真鍮マトリックスにおけるのCuまたはZnの少
なくとも一部が他の元素で置換される。
本発明の第2の形態では、球状化剤が合金に添加される。本発明の他の特徴によ
れば、Bi合金よりも硫化物、セレン化物、またはテルル化物の粒子が形成され
る。本発明の利点は、適当な処理を加えることで、硫化物、セレン化物、または
テルル化物が線状物を形成するよりも球状化することである。
本発明の他の特徴は、CaとMnの化合物を機械加工性改善のための潤滑剤とし
て合金に添加できることである。黒鉛、タルク、Mo、二硫化物、六方晶系窒化
ホウ素等の他の潤滑用化合物を添加してもよい。
本発明の更に別の利点は、真鍮の他にも、本発明の添加材が青銅やBe銅のよう
な他のCu合金の機械加工性を改善することにある。
本発明によれば、機械加工可能なCu合金が得られる。第1の形態としてのCu
合金は、Cu、Zn、Znの一部置換材、およびBiを含むα/β真鍮である。
第2の形態としてのCu合金は、Cu、Cu一部置換材、Zn、およびBiを含
むα/β真鍮である。
前述した目的、特徴および利点は、明細書および図面により更に明確化される。
第1図は、B1−Pb共晶を示す顕微鏡写真である。
第2図は、α/β領域を規定するCu−3i−Zn相状態図の一部を示している
。
第3図は、α/β領域を規定するCu−8n−Zn相状態図の一部を示している
。
第4図は、α/β領域を規定するCu−Al−Zn相状態図の一部を示している
。
Znを約30%〜約58%含む2元Cu−Zn合金はα/β真鍮と称され、室温
の下では、α相(圧倒的にCu)とβ相(圧倒的にCu−Zn金属間化合物)の
混合物を含む。本件明細書中では、特に指摘がない限り、パーセントはすべて重
量パーセントである。β相は熱間処理性能を高めるが、α相は冷間処理性能およ
び機械加工性を改善する。飲料水の用途では、Znの濃度はα/β領域の下端に
あるのが好ましい。Cuの濃度が高くなれば腐食を抑制し、また高いα含有量に
より冷間圧延のような冷間処理工程の加工性能は改善される。好ましいZn濃度
は約30%〜約45%であり、最も好ましくは、Znn約3丸る。
以下、機械加工性を改善する合金添加材を含む真鍮等のCu合金については、こ
れを快削合金と称することにする。添加材の代表的な役割は、合金の切削に対す
る抵抗を減じること、すなわち使用工具の寿命を延ばすことにある。斯かる添加
材の一つがpbである。米国特許第5137685号に記載されているように、
Cuの全てまたはその一部をBiで置換することができる。
表1は、Bi,Pb,およびBi/Pbの添加材が真鍮に及ぼす影響を示してい
る。表1の数値を得るために使用した真鍮は、Zn36%、各種濃度の添加材お
よび残部としてのCuを含んでいた。機械加工性については、直径6.35n。
(0.25インチ)のドリル刃が、荷重1 3.6kg (3 0ポンド)で試
験サンプルに深さ6.35mm(0.25インチ)まで進入するために要する時
間を測定してめられた。合金C353 (公称組成:Cu62%、Zn36%、
およびpb2%)にドリル刃を貫入するために要する時間は、Cu合金の標準的
な機械加工の指数である標準値90とした。機械加工の指数値は、一定深さの穿
孔時間に反比例し計算によりめられる。すなわち、合金C353の穿孔時間と試
験対象の合金の穿孔時間の比率は、C353の定義された機械加工性値(90)
に対する試験対象合金の機械加工性の比率に等しく設定される。
90x機械加工時間C353
機械加工時間(試験対象)
*
PbO.5% 60、85
Pb1% 78、83
(C353) Pb2% 90(定義による)Pb3% 101,106
Bi1% 83、90
Bi2% 93、97
Pb1%ーBi0.5% 85、88
Pb1%−Bi1% 102、120
Pb1%−Bi2% 100、104
*合金ごとに2種類のサンプルの試験を行い、各計算値を記録した。
表1に示すように、Biの濃度の増加とともに機械加工性も向上する。B1の濃
度は約5重量%の最大濃度未満に保つのが好ましい。Biが5%を超えると加工
処理がし難くなり、腐食の問題が発生するようになる。Biの最小許容濃度は、
Cu合金の機械加工性を改善するために効果のある値である。より好ましいBi
の濃度は約1. 5%〜約3%であり、最も好ましいBiの濃度は約1. 8%
〜約2、2%である。
pbとBiを組み合わせると、所定濃度のpbまたはBiのいずれかを使用した
場合に得られるものよりも改善効果は大きい。本発明の好ましい実施例では、機
械加工性を改善するために、元素の単独添加よりもむしろ、組み合わされた元素
が真鍮に添加される。
本発明の一形態では、Biはpbと組み合わせて添加される。pb含有量が減る
ため飲料水用としては望ましく、しかもpb含有量の少ない既存の真鍮のすべて
をスクラップにしたり精練するには費用がかさむため、この方法には利点がある
。既存のpb含有合金は、pbを希釈するCu,ZnおよびBiと共に原材料と
して利用することができる。pbとBiを組み合わせて使用する場合、pbの濃
度は2%未満に維持される。Biの濃度は、pbと同等以上の重量%であること
が好ましい。表1に示すように、Biとpbの重量比は約l:1が最も好ましい
。
第1図は、Pb1%−Bi2%を添加した、表1の真鍮サンプルの顕微鏡写真を
示している。このサンプルは、金属組織学的標準技術によって作成された。倍率
は1000倍であり、Bi合金12の内部に共晶相10が存在することが認めら
れる。二重相粒子の形成は、真鍮の機械加工性を改善する目的で用いられる種類
の全ての合金添加物の開発につながる。
粒状組織内にPb−B1共晶領域が存在すれば機械加工性が向上する。切削工具
は接触部において温度が上昇する。Pb−B1が溶融して接触箇所を潤滑し、工
具の摩耗を少なくする。また、Pb−B1領域により応力点が形成され、チップ
破壊により合金の崩壊を促進する。
表2は、Cu合金に形成されることのあるBi含有合金の共晶組成と融点を示し
ている。なお、幾つかの共晶の溶融温度は、Pbの溶融温度327℃またはBi
の溶融温度271℃未満である。
B1−Pb 125℃ 56.5
Bi−Cd 144°C 60
Bi−8n 139°C 57
Bi−1n72°C 34
Bi−Mg 551℃ 58.9
Bi−Te 413℃ 85
第2相粒子内の共晶成分の量を最大限にすることが望ましい。粒子中の組成のう
ち少なくとも約50%が共晶となるように、Bi−X添加物が選択される。粒子
の少なくとも約90%が共晶であるのが更に好ましい。低温溶融成分が多く存在
するように共晶組成を変えれば、機械加工性はさらに改善される。
2元共晶の他に、3元共品やこれより多成分の合金系も本発明の範囲に属する。
真鍮との関連において機械加工性を改善するBiの添加について詳しく説明した
が、他のCu基マトリックスの機械加工性も本発明の添加材により改善される。
改善効果のあった他のマトリックスには、Cu−3n、Cu−Be、Cu−Mn
、Cu−Zn−Al、Cu−Zn−Ni、Cu−Al−Fe5Cu−AI−3i
。
Cu−Mn−3i、Cu−Zn−3n、およびCu−Mn−Znがある。C54
4(公称組成二重量で、Cu89%、Pb4%、Sn4%およびZn3%)等の
他のpb添加Cu合金も、Biを添加しPbの濃度を下げることができる。
B1の機械加工性に及ぼす効果は、Cu、Znまたは両マトリックス元素を部分
的に置換したα/β真鍮の場合にも得られる。合金マトリックス中のCuまたは
Znに代用される、1種またはそれ以上の種類の金属元素の置換が適している。
好ましいZn置換材にはA1、SnおよびSiがあり、また好ましいCu置換材
にはNi、MnおよびFeがある。
Znの一部を置き換える場合、Zn置換材の量、およびZn対Zn置換材の比率
は、合金の相変態により決まる。熱間加工温度、代表的には600℃の周辺温度
またはそれ以上の温度で、熱間脆性を最小限にする十分なβ相が存在する必要が
ある。室温におけるβ相の量は、冷間延性を改善するために意図的に少なくされ
ている。適当なZnとZn置換材の化合物は3元系状態図により決められる。
第2図は、600℃におけるCu−8i−Zn3元系状態図の該当部分を示して
いる。Zn置換材としてのSiは合金の強度を高める。α相領域は、線ABCと
軸線が境界となっている。α相とβ相の混在する組成領域は、ABDEにより区
切られている。β相の支配領域はEDFGにより囲まれている。β相とガンマ相
の領域はGFHIにより囲まれている。真鍮マトリックスの構成を特定する際に
は、Bi、Pbおよび他の機械加工性改善添加材の存在は無視される。この3元
系状態図は、例えば、600℃においてα/β相を維持するために必要なZnと
Zn置換材の%を示している。100重量%に達するよう必要量のCuが使われ
ている。追加添加材としてBi、Pbまたは他の添加材が加えられるが、数値計
算の要素とはされない。
熱間加工用に、ZnとSiの重量%は、ABHIで決まるβ相富有領域からめら
れる。本発明のCu−Zn−8i −B i合金の最大組成範囲には、ABHl
からめられるZnとSiの重量%と100重量%に達するのに必要なCuの量が
含まれる。次いで、機械加工性改善に有効な量から約5%までの量のBiが合金
マトリックスに加えられる。
高濃度のβ相は合金の熱間加工を行う上で有効であるが、冷間加工性にはα相が
支配的であることが必要とされる。好ましいZnとSiの含有量は領域ABFG
により決まるが、最も好ましい含有量は領域ABDEによりめられる。
Znの一部をSnで置き換えた場合、耐食性の向上した特徴ある合金が得られる
。SnとZnの組成範囲は、第3図に示す600℃状態図からめられる。Snの
最大範囲は微量〜約25%であり、SnとZnの%と比率は領域JKLMNOか
らめられる。α相の多く得られるより好ましい領域は、JKLPの領域にある。
最も好ましい組成範囲はJKLQによりめられる。
第4図は、Znの一部をアルミニウムで置き換えた3元合金の550℃状態図を
示している。Znをアルミで置換して得られる合金は耐食性が向上し、強度が僅
かに高まる。ZnI!:AIの広域組成範囲はR8TUVによりめられる。より
好ましい範囲は領域R3TVからめられ、最も好ましい範囲は領域R8TWによ
る。
他の元素添加材により、Zn以外にもCuの一部を置換することができる。これ
ら置換材にはNiがあり、性質を補完する目的で添加することができる。Niに
より合金は白色となり、いわゆるニッケルシルバーまたはジャーマンシルバー、
と呼ばれているものになる。FeまたはMnにより合金の強度は僅かに高まり、
溶融金属の鋳造に際し多量のスクラップを使い易くなり、コストが低下する。α
/β真鍮には、Cuの1:1の置換材として、はぼ微量〜4重量%のFeまたは
Mnあるいはそれらの混合物を添加することができる。Fe、Mnまたはそれら
の混合物のより好ましい濃度は、約0.5%〜約1.5%にある。置換添加材の
計算を行い、Biを機械加工性の改善に有効な量から約5%までの量で添加する
。
FeまたはMnのより好ましい濃度は、約0.5%〜約2%である。好ましいB
iの範囲は約1. 8%〜3%である。
Cuのl:l置換材として、微量〜約25%の範囲内でNiを添加することがで
きる。好ましいNiの範囲は約8%〜18%である。B1の範囲は、FeとMn
の置換合金にも同じように適用される。
N1とMnの混合物でZnの一部または全てを置換することができる。そうした
合金の1つがシャピロ民地に付与された米国特許第3772092号に記載され
ている。この合金は、Ni12゜5%〜30%、Mn12.5%〜30%、Zn
OlI%〜3.5%、および残部としてのCuを含む。Mg0.01%〜5%、
Bo、001%〜0. 1%またはAIo、01%〜5%のような他の添加材を
含むこともできる。
記載した合金は4元が主であるが、合金に添加して好ましい特性を発現するもの
であればよく、本発明の範囲内には記載していない添加材も含まれている。添加
材は金属でなくてもよく、合金中に均一に分散する粒子の形態をとることもでき
る。
真鍮マトリックスに添加されるBi、Pbまたは他の機械加工性改善材は、不連
続粒子または粒界膜の形態をとることができる。マトリックス中に均一に分散し
た不連続粒子は、膜よりも好ましい。膜は、処理を難しくし、仕上げ切削表面が
劣る。
球状化剤を添加し、粒子がさらに等軸となるように工夫することができる。球状
化剤の濃度は、有効量から約2重量%以下までの範囲である。球状化剤の有効量
は、第2相の表面エネルギーまたは濡れ角度を変化させら□れる量である。好ま
しい球状化剤の中には、P(燐)、SbおよびSnがある。球状化剤は、Biま
たは前記表2に記載の共晶化合物の何れかに添加することができる。より好まし
い濃度は約0. 1%〜約1%である。
真鍮以外のCu合金、例えば、合金C725(公称組成二重量で、Cu88゜2
%、Ni9.5%、Sn2.3%)では、Znは球状化剤として添加されている
。Znは、重量で約25%以下の有効濃度で存在する。
硫化物、Te化物またはSe化物をCuマトリックスに添加し、機械加工性を改
善することができる。添加物は、機械加工性を改善するのに有効な約2%以下の
濃度で存在する。具体的には、濃度は約O11%〜約1.0%である。硫化物、
Te化物およびSe化物の組成を強化するために、これら材料に結合するZr、
Mn、Mg、Fe、Niまたはミツシュメタル等の元素を添加することができる
。
代替案として、重量で約10%以下の濃度の酸化銅粒子をマトリックスに添加し
て機械加工性を改善することもできる。
真鍮の機械加工に際し、工具は時間の経過と共に摩耗し性能が低下する。工具寿
命を延ばす方法の■つは、工具を潤滑し摩耗を最小限にする添加材を合金に加)
えることである。好ましい工具被覆添加材には、アルミン酸カルシウム、ケイ
酸カルシウム・アルミニウムやケイ酸マグネシウム・アルミニウム、黒鉛、タル
ク、二硫化モリブデン、および六方晶系窒化ホウ素がある。実質的にpbを含ま
ない添加材は、重量で約0.05%〜5%〜約2度の範囲にあるのが好ましい。
より好ましい添加材は、約0. 1%〜約1. 0%の濃度の範囲内にある。
切削性を改善する被覆元素の幾つかは、溶融金属からの鋳造は容易でない。所望
の合金を噴射鋳造すれば粒子の微細分散を行うことができる。望ましい合金の液
体流、すなわち、より好ましいのは、例えば、第1の流れである真鍮と第2の衝
突する。半固体粒子は捕集面との衝突により粉々となり、コヒーレント(coh
erent)な合金を形成する。霧化粒子の重合円錐体(コーン)による2つの
隣接流を使用すれば、従来の鋳造法ではほとんど製作できなかった第2相成分を
有するCu合金が形成される。
本発明によれば、前述した目的、手段および利点を完全に満足する、Pb含有量
の少ない機械加工性に優れたCu合金が得られる。本発明は特定の実施例および
その参考例に関連して説明してきたが、前述した説明を参考にすれば、当業者に
とり変更、修正および改造に関しては自明である。従って、このような変更、修
正および改造のすべては発明の精神に属し請求の範囲に含まれるものである。
酊、ycZn
紹+、 Z Zn
酊、 Z Zn
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、PT、SE)
、0A(BF、BJ、CF、CG、CI、CM、GA、GN、〜IL、MR,N
E、SN。
TD、TG)、AU、BB、BG、BR,CA、CZ。
FI、HU、JP、KP、KR,KZ、LK、 MG、MN、 MW、 NO,
NZ、PL、RO,RU、SD、SK、UA
(72)発明者 ブレーディス、ジョン エフ、 :アメリカ合衆国 0661
1 コネチカット州トラムプル、コツパー ケトル ロード(72)発明者 キ
ャロン、ロナルド エフ。
アメリカ合衆国 06405 コネチカット州プランフォード、メドウ サーク
ル ロード 48
(72)発明者 マンディゴ、フランク エフ。
アメリカ合衆国 06471 コネチカット州ノース ブランフォード、ノツチ
ヒルロード 168
172)発明者 サレ、ジョセフ
アメリカ合衆国 06504 コネチカット州ブランフォード、アルプス ロー
ド 803
Claims (23)
- 1.Cu、Zn、Zn一部置換材、および重量で約1.8%〜約5.0%のBi を含み、前記ZnとZn置換材は、熱間加工温度での熱間脆性を最小限にするた めに有効な量のβ相を約600℃を超える温度で形成し、また冷間加工性を得る ために室温でα相が存在する上で十分な量で存在することを特徴とするα/β真 鍮。
- 2.請求項1に記載されたα/β真鍮において、前記Zn置換材が、Al、Si 、Snおよびこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とするα/β 真鍮。
- 3.請求項2に記載されたα/β真鍮において、前記Zn置換材がSiであり、 ZnおよびSiの重量%がABHI領域により規定されることを特徴とするα/ β真鍮。
- 4.請求項3に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がSiであり、Zn およびSiの重量%がABFG領域により規定されることを特徴とするα/β真 鍮。
- 5.請求項4に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がSiであり、Zn およびSiの重量%がABDE領域により規定されることを特徴とするα/β真 鍮。
- 6.請求項2に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がSnであり、Zn およびSnの重量%がJKLMNO領域により規定されることを特徴とするα/ β真鍮。
- 7.請求項6に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がSnであり、Zn およびSnの重量%がJKLP領域により規定されることを特徴とするα/β真 鍮。
- 8.請求項7に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がSnであり、Zn およびSnの重量%がJKLQ領域により規定されることを特徴とするα/β真 鍮。
- 9.請求項2に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がAlであり、Zn およびAlの重量%がRSTUV領域により規定されることを特徴とするα/β 真鍮。
- 10.請求項9に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がAlであり、Z nおよびAIの重量%がRSTV領域により規定されることを特徴とするα/β 真鍮。
- 11.請求項10に記載されたα/β真鍮において、Zn置換材がAlであり、 ZnおよびAlの重量%がRSTW領域により規定されることを特徴とするα/ β真鍮。
- 12.請求項4、請求項7または請求項10の何れか1つに記載されたα/β真 鍮において、Biの2重量%以下がPbにより置換されていることを特徴とする α/β真鍮。
- 13.Cu、Cu一部置換材、Znおよび重量で約1.8%〜約5.0%のBi を含み、前記Znは、熱間加工温度での熱間脆性を最小限にするために有効な量 のβ相を約600℃以上の温度で形成し、また冷間加工性を得るために室温でα 相が存在する上で十分な量で存在することを特徴とするα/β真鍮。
- 14.請求項13に記載されたα/β真鍮において、Cu置換材は、Ni、Fe 、Mnおよびこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とするα/β 真鍮。
- 15.請求項13に記載されたα/β真鍮において、Cu置換材は、Fe、Mn およびこれらの混合物からなる群より選択され、Cu置換材の重量%がほぼ微量 から約4重量%以下までの範囲にあることを特徴とするα/β真鍮。
- 16.請求項15に記載されたα/β真鍮において、前記Cu置換材の含有量が 、約0.5〜約1.5重量%であることを特徴とするα/β真鍮。
- 17.請求項14に記載されたα/β真鍮において、前記Cu置換材は、微量か ら25重量%以下までの範囲で存在するNiであることを特徴とするα/β真鍮 。
- 18.請求項17に記載されたα/β真鍮において、Ni含有量が、約8〜約1 8重量%であることを特徴とするα/β真鍮。
- 19.請求項16または請求項18の何れか1つに記載されたα/β真鍮におい て、Biの2重量%以下がPbで置換されていることを特徴とするα/β真鍮。
- 20.請求項2に記載されたα/β真鍮において、Cuの一部分が、Fe、Ni 、Mnまたはこれらの混合物で置換されていることを特徴とするα/β真鍮。
- 21.請求項20に記載されたα/β真鍮において、Biの重量で2%以下がP bで置換されていることを特徴とするα/β真鍮。
- 22.Ni12.5重量%〜30重量%、Mn12.5重量%〜30重量%、 Zn0.1重量%〜3.5重量%、および残部としてのCuを含むことを特徴と する快削Cu合金。
- 23.請求項22に記載された快削Cu合金において、当該合金は、さらに、0 .01%〜5%のMnまたはAl、0.001%〜0.1%のBおよびこれらの 混合物の群から選択された材料を含むことを特徴とする快削Cu合金。
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