JPH08100203A - 静電的ダイ壁潤滑化を使用する粉末冶金装置及び方法 - Google Patents
静電的ダイ壁潤滑化を使用する粉末冶金装置及び方法Info
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- JPH08100203A JPH08100203A JP21575895A JP21575895A JPH08100203A JP H08100203 A JPH08100203 A JP H08100203A JP 21575895 A JP21575895 A JP 21575895A JP 21575895 A JP21575895 A JP 21575895A JP H08100203 A JPH08100203 A JP H08100203A
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Abstract
末冶金により金属複合部材を製造するための改良された
方法を提供する。 【解決手段】 金属複合部材の製造方法であって、該方
法は、金属粉末組成物を、その壁表面が滑剤で静電的に
被覆されたダイ中で圧縮することによるものであり、そ
れにより金属組成物中の滑剤を排除しまたは減少させ、
より高い密度及び強度を有する金属複合材を与える。該
方法はさらに、金属粉末組成物に静電電荷を与えること
を含む。粉末冶金装置も提供される。
Description
特に粉末冶金を使用して金属複合部材を形成するための
そのような材料の圧縮に係わる。
etal composite part)を製造するための金属粉末の圧縮
においては、金属粉末をダイキャビティ中で加圧して未
焼結圧粉体(green compact) を製造し、次いでこれを熱
処理して金属複合部材を製造する。圧縮の間に金属粉末
とダイキャビティを規定する表面の間にかなりの量の摩
擦が発生し、ダイ表面上の粘着磨耗と、未焼結圧粉体を
ダイキャビティから取り出すときの未焼結圧粉体の破壊
の両方を引き起こす。このような摩擦作用を減じ、また
未焼結圧粉体をダイから取り出すために必要な排出力を
減じるために、金属粉末混合物に予め滑剤(lubricant)
が加えられる。これは圧縮される金属粉末の部分の全体
に分散されるので、一般に内部滑剤といわれる。
湿潤滑剤が金属粉末の凝集(clumping)を促進し、それに
より通常P/M 材料に所望される良好な流動特性が失われ
てしまうからである。乾燥滑剤は非結合的で、流動特性
に影響を及ぼさないので、成功裏に使用されている。乾
燥滑剤は、典型的には、圧縮の間に使用される圧力と温
度により溶融され、それにより溶融した滑剤が流動でき
るようになることにより機能する。しかし、何らかの内
部滑剤を金属粉末配合物中に含有させることの1つの結
果として、そのようにして製造される金属複合部材の得
られる最終密度及び強度が滑剤を添加しなかったときに
理論的に可能なものよりも低くなる。
いようにするこれまでの試みは、液体形態の滑剤をダイ
壁に噴霧することに集中されてきた。従来、これらの滑
剤としては、液体滑剤及び溶媒中に分散された乾燥滑剤
の両方があった。しかし、ダイ壁に塗布された液体の供
給と分布の両方が貧弱であるために、圧粉体の寸法及び
形態において欠陥が発生する。さらに、分散された乾燥
滑剤を使用することは、揮発性の溶媒の存在のために、
衛生上、安全上、及び環境上の多くの危険をもたらす。
本発明者らは、乾燥滑剤をダイ壁に直接塗布すれば有効
であろうと考えたが、そのようにするための装置及び方
法は以前には存在しなかった。
技術のある種の欠点及び不利な点を克服し、粉末冶金に
より金属複合部材を製造するための改良された方法を提
供することである。本発明の目的は、環境的に安全な金
属複合部材を製造するための方法を提供することであ
る。
物中に内部滑剤を含有させる必要を排除する金属複合部
材を製造するための方法を提供することである。本発明
の別の目的は、7.30 g/cm3よりも大きい最終密度を有す
る金属複合部材を製造するための方法を提供することで
ある。本発明のもう1つの目的は、乾燥または湿潤潤滑
物質をダイ表面上に均一に噴霧することができる装置を
提供することである。
の目的は、乾燥または湿潤形態の滑剤を静電的に噴霧す
ることによりその壁表面が潤滑化されたダイキャビティ
ー内で金属粉末組成物を加圧する、粉末冶金による金属
複合部材の製造のための新規な方法により達成される。
この方法は、粉末冶金組成物中に内部滑剤を含有させる
必要を排除し、より高い密度及び強度を有する金属複合
部材を与えるものである。その上、揮発性溶媒に分散さ
せることなく乾燥滑剤を使用することができるので、本
発明は環境的に安全である。
滑物質を噴霧するための装置を提供する本発明により達
成され、該装置は、潤滑物質を噴霧するための噴霧手
段、潤滑物質に電荷を与えるための帯電手段、及び粉末
冶金ダイ上に配置される電極に逆電位(reversing poten
tial) を与えるための手段を含む。この電位により、帯
電した潤滑物質と粉末冶金ダイの間に起こる電気的引力
が生じる。
規定されるキャビティを有するダイを用意し、粉末冶金
に適する金属粉末組成物を選択し、前記ダイの壁表面に
滑剤を静電的に噴霧し、ダイキャビティを金属粉末組成
物で充填し、前記金属粉末組成物を前記ダイ中で圧縮し
て未焼結圧粉体を製造することを含む未焼結圧粉体の製
造方法を提供する。
より規定されるキャビティを有するダイを用意し、粉末
冶金に適する金属粉末組成物を選択し、前記ダイの壁表
面に滑剤を静電的に噴霧し、ダイキャビティを金属粉末
組成物で充填し、前記金属粉末組成物を前記ダイ中で圧
縮して未焼結圧粉体を製造し、前記未焼結圧粉体をダイ
から取り出し、前記未焼結圧粉体を焼結して金属複合部
材を製造することを含む金属複合部材の製造方法に関す
る。
ィ及び金属粉末組成物は圧縮段階の前に700 °F までの
高温に予備加熱することができる。さらに上記の両方の
態様において金属粉末組成物は、例えば摩擦電気帯電に
より静電的に帯電させることができる。さらに別の態様
においては、本発明は、ダイキャビティを有するダイを
受容する手段、潤滑物質を前記ダイキャビティ中に噴霧
するための噴霧手段、潤滑物質に電荷を与えるための帯
電手段、及び前記ダイキャビティに隣接して配置される
電極に電位を与えるための手段、を含む粉末冶金装置に
関する。
して、本発明の滑剤を静電的に噴霧したダイ中で圧縮し
た、滑剤を含まない金属粉末組成物の予想圧縮率曲線、
及び冷間及び温間プレスの両方を使用して、従来のよう
に固体内部滑剤を混合され、潤滑化されていないダイ中
で圧縮された比較金属粉末組成物の圧縮率曲線を示す。
図2は、滑剤を静電的に噴霧したダイ中での、種々の量
の内部滑剤を混合した金属粉末組成物の圧縮の予想圧縮
率曲線を示す。図3は、滑剤を静電的に噴霧したダイ中
での、種々の量の内部滑剤を混合した金属粉末組成物の
圧縮の予想未焼結強度を示す。
の形態でダイの壁表面に静電的に塗布される。より具体
的には、滑剤は、細かい液体小滴または固体粒子のエア
ロゾルの形態で静電的に塗布される。好ましくは、液体
小滴または固体粒子は100 ミクロン以下、より好ましく
は50ミクロン以下、そして最も好ましくは15ミクロン以
下のサイズを有する。
せることにより、少なくとも部分的に導電性のダイ壁表
面上に薄い潤滑コーティングを迅速にそして均一に塗布
することができる。静電的に噴霧された小滴または粒子
は、接近する帯電粒子により誘導される映像引力(image
force) により壁表面に引き寄せられ、保持される。同
じ力は、小滴または粒子の雲の空間荷電とともに、小滴
または粒子が隅々にそれて行き、壁表面の全ての部分を
被覆することを可能とする。先に付着した粒子上に保持
される荷電は、入ってくる粒子または小滴を被覆されて
いない部位にそらせる傾向があるので、被覆は均一とな
る。
るのに適した装置は、例えば以下の部品、即ち固体また
は液体滑剤を噴霧するためのノズル、ノズルの下に配置
されるP/M ダイを構成する基体、及び極性反転DC高電圧
電源を含む。上記の装置において、滑剤はノズルから噴
霧され、摩擦荷電が付与される。このときダイは接地さ
れているので、潤滑物質とダイとの間に電気的引力が作
用し、滑剤はP/M ダイに到達しその上に付着する。逆転
可能な100V〜50kVのDC電圧をダイから電気的に分離され
た電極に印加し、単一極性に帯電した滑剤のダイへの誘
引を促進する。
は、理想的には、付着された小滴または粒子に充分な時
間荷電が保持され、ダイ壁表面への接着が確保されるよ
うに、低い導電性と充分な抵抗を有するものである。上
記したように、滑剤は乾燥または湿潤形態であり得る。
適する乾燥滑剤としては、金属ステアリン酸塩、例えば
ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、及びステア
リン酸カルシウム、エチレンビステアラミド、ポリオレ
フィンベースの脂肪酸、ポリエチレンベースの脂肪酸、
石鹸、二硫化モリブデン、グラファイト、硫化マンガ
ン、酸化カルシウム、窒化ホウ素、ポリテトラフルオロ
エチレン、及び天然及び合成ワックスが含まれる。特に
好ましいものは、エチレンビステアラミド、例えばAcra
wax(登録商標) の商品名によりLonza Corp. より市販さ
れているものである。
上記したような固体滑剤、油ベースの滑剤、例えば石油
オイル、シリコーンオイル、及び炭化水素オイル、溶媒
ベースの滑剤、例えばポリグリコール及びポリフェニル
エーテル、及び水ベースの滑剤、例えば石鹸及び水性ワ
ックスエマルションが挙げられる。全ての固体及び液体
滑剤は単一成分滑剤として使用でき、また2種以上の滑
剤の混合物として使用してもよい。さらに、種々の種類
の固体及び湿潤滑剤を所望される任意の組合わせで使用
してもよい。
程においては、固体粒子または液体小滴形態の滑剤は、
好ましくはTribogun (登録商標) により提供されるノズ
ルから放出される。固体滑剤粒子は乾燥状態で噴霧して
もよく、所望の場合には任意の溶媒もしくは溶媒系中に
分散して噴霧してもよい。固体滑剤粒子または液体滑剤
小滴は空気中のものとして放出してもよく、また他の分
散剤、例えばイソプロピルアルコール、n-ヘキサン、ブ
タン、Freon(登録商標) フッ素化炭化水素 (E.I. Du Po
nt de Nemours & Co. の商標) 等中のものとして放出し
てもよい。空気以外の分散剤を固体滑剤粒子または液体
滑剤小滴を分散するための媒体として使用する場合に
は、分散剤はその後に蒸発される。好ましくは、潤滑材
粒子または小滴は、未焼結圧粉体を排出するのに必要な
排出圧力を最小にするような厚さに静電的に噴霧され
る。もちろん、P/M 特性に影響を及ぼさないような範囲
で、所望の排出力を得るために厚さを変化させてもよ
い。
は、任意の従来の金属粉末組成物であってよく、限定す
るものではないが、鉄、鋼、あるいは鋼合金粉末が含ま
れる。典型的な鉄粉末は、本発明の譲受人であるTracy,
Quebec, Canada のQuebec Metal Powder Limited (QM
P) により製造されているAtomet (登録商標) 鉄粉末で
ある。典型的な鋼または鋼合金粉末としては、QMP によ
り製造されているAtomet (登録商標) 1001、1001 HP 、
4201、4401、及び4601が挙げられる。金属粉末は一般的
には約300 ミクロン未満、好ましくは約212 ミクロン未
満の最大粒子サイズを有する。金属粉末は、例えば米国
特許第3,846,126 号、第3,988,524 号、第4,062,678
号、第4,834,800 号及び第5,069,714 号に開示されてい
るような適当なバインダーにより結合されていてもよ
い。これらの開示内容は参考としてここに組み入れる。
当業者は、容易に代替的なあるいは等価の金属粉末を見
つけることができるであろう。
より静電的に帯電される。滑剤は、組成物をコイル状の
Teflonチューブを通して空気パフ上を通過させることに
よりそのように帯電させることができる。摩擦電気によ
り帯電された滑剤の電荷−質量比(charge-to-mass rati
o)は0.2 μC/g 以上、一般には0.6 μC/g より高くなけ
ればならず、約1.2 μC/g より高い電荷−質量比が好ま
しい。もちろん、電荷−質量比の極性は、選択した物質
により変化し得る。帯電した滑剤の全電荷は電位計によ
り測定することができる。 (電荷−質量比は、二重ファ
ラデーペールに帯電滑剤を集めることにより測定するこ
とができる。帯電した組成物の質量は、ファラデーペー
ルに集めた全ての粉末を注意深く取り除き、標準的な秤
により1mgの感度で秤量することにより容易に測定でき
る。) 金属粉末組成物は、任意の所望の形状のダイ4 中で圧縮
する。本発明の別の態様においては、温間プレスと任意
の配置を含むようにダイを適合させて、所要の形態に近
い圧縮を行い、ダイキャビティからの排出を容易にする
ことができる。
意の方法により行うことができる。一般的には、温間プ
レスは約30〜60 tsi (トン/ 平方インチ) の圧力及び約
50〜300 ℃の温度において行うことができ、冷間プレス
は約15〜60 tsiの圧力及び約15〜50℃の温度において行
うことができる。未焼結圧粉体をダイキャビティから排
出させた後、それを焼結して金属複合部材を製造する。
本発明によれば、任意の従来の焼結方法を使用して金属
複合部材を製造することができる。好ましくは、焼結は
1000〜1300℃の温度において、10〜60分間行う。未焼結
圧粉体は好ましくは全ての内部滑剤を排除するので、焼
結には誘導加熱を使用することができる。その場合、予
備焼結を省略することができる。
る使用にも適しており、例えば、米国特許第5,069,714
号に開示されたもののような有機結合方法、1993年5月
26日出願の、同じ譲受人に譲渡された同時係属中の米国
特許出願第08/067,282号に開示されたもののような二重
プレス二重焼結方法、1993年5月14日出願の、同じ譲受
人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第08/060,965
号に開示されたもののような軟複合鉄材料を製造するた
めの方法等が挙げられる。本発明により製造される金属
複合部材は、所望により、7.30 g/cm3より高い最終密度
及び/または2000 MPaより高い焼結強度を達成し得る。
プレス組成物が、 (ダイ壁潤滑化の不在下で従来から通
常使用されている0.75重量% に対比して)0.1〜0.4 重量
% 、好ましくは0.2 〜0.3 重量% のオーダーの少量の内
部滑剤を含む場合、本発明により特に高い未焼結体の密
度が得られる。
明する。実施例1 壁表面を有する長方形(TRS) のダイに、Acrawax(登録商
標) 粒子を圧縮空気によりTribogun中に吹き込むことに
より、固体Acrawax(登録商標) 滑剤を静電的に噴霧す
る。次に帯電粒子をダイ壁表面上に噴霧する。その後ダ
イを80℃の温度に加熱し、Atomet (登録商標) 4401 +
1.0% Cu + 2.2% Ni + 0.7% C の金属粉末組成物を充填
する。次に、ダイ温度を250 ℃に維持しながら、30、4
0、50及び60 tsiの圧力で、ダイ中で金属粉末組成物を
圧縮する。予測圧縮率曲線を図1に示す。前記金属粉末
組成物を単に50 tsiで圧縮して別の未焼結圧粉体を製造
する。このようにして製造された圧粉体をダイから排出
させ、1120℃の温度で25分間焼結する。予測される圧縮
物の未焼結及び焼結特性を表1に示す。
合したことと、ダイに滑剤を静電的に噴霧しなかったこ
とを除いて、実施例1に記載した方法を行った。圧縮率
曲線を図1に示し、50 tsiにおける圧縮物の未焼結及び
焼結特性を表1に示す。
イ中で金属粉末組成物を圧縮することにより製造した、
圧粉体の未焼結強度及び金属複合部材の焼結強度は両方
とも、0.5%ステアリン酸亜鉛を混合した金属組成物を滑
剤を静電的に噴霧していないダイ中で圧縮して製造され
たものよりもかなり高くなる。さらに最終密度は、グラ
ファイトを静電的に噴霧したダイ中で圧縮することによ
り製造した金属複合部材が高くなる。
気によりグラファイト粒子が直流により帯電されるTrib
ogun中に吹き込むことにより、Acrawax 滑剤を静電的に
噴霧する。次に帯電粒子をダイ壁表面上に噴霧し、Atom
et (登録商標)1001の金属粉末組成物を潤滑化ダイ中に
充填する。次に、30 tsi、40 tsi、及び50 tsiの圧力
で、ダイ中で金属粉末組成物を冷間プレスする。予測圧
縮率曲線を図1に示す。
加し、ダイに滑剤を静電的に噴霧しなかったこと以外は
実施例2に記載した方法を行った。得られた圧縮率曲線
を図1に示す。図1を参照すると、Acrawax 滑剤を静電
的に噴霧したダイ中で金属粉末組成物を温間プレスする
ことにより製造された未焼結圧粉体は約7.0 〜約7.5 g/
cm3 の範囲の未焼結密度を有し、これは滑剤を静電的に
噴霧していないダイ中で0.5%のステアリン酸亜鉛を混合
した金属粉末組成物を温間プレスすることにより製造さ
れた未焼結圧粉体により得られる約6.9 〜約7.4 g/cm3
の範囲の未焼結密度よりも高い。
静電的に噴霧したダイ中で金属粉末組成物を冷間プレス
することにより製造された未焼結圧粉体は、30及び40 t
siで、滑剤を静電的に噴霧していないダイ中で0.4%のス
テアリン酸亜鉛を混合した金属粉末組成物を冷間プレス
することにより製造された未焼結圧粉体により低い未焼
結密度を有する。しかし、50 tsiにおいては両方の未焼
結密度は実質的に同じである。
2 及び0.4% Acrawax (登録商標) C エチレンビステアラ
ミドワックスと別々に混合し、その壁表面にステアリン
酸亜鉛を予め静電的に噴霧したダイ中で種々の圧力にお
いて冷間プレスする。予測圧縮率及び未焼結強度曲線を
図2及び図3にそれぞれ示す。図2及び3は、圧縮の前
に金属粉末組成物中に固体滑剤を含有させることの予測
される効果を示している。図2は、金属粉末組成物中に
固体滑剤を含有させることは、40より高いtsi において
は圧粉体の未焼結密度に殆ど影響しないことを示してい
る。金属粉末組成物から滑剤を排除することの予測され
た利点は図3により明らかに示されており、これはAcra
wax(登録商標) C を含まない金属粉末組成物を圧縮して
製造される圧粉体の未焼結強度が、0.2 及び0.4% Acraw
ax Cを混合された金属粉末組成物の未焼結強度よりも実
質的に高くなることを示している。
素、Acrawax(登録様表) C 及びステアリン酸リチウム)
を、コイルにした80 cm Teflon (登録商標) チューブに
手作業で入れ、約75 kP の圧力の空気の噴出しによりチ
ューブを通すことにより摩擦電気的に帯電させた。
基体からなり、基体が2つのシリンダーを1.3 cmの一定
の距離に保持するようにされた試験ダイに滑剤を塗布し
た。シリンダーはアクリル基体の上に3.5 cm伸びてお
り、断面で1.3 cm及び3.5 cmの環状キャビティーを形成
している。キャビティの外側直径は12 cm であった。試
験ダイの約10 cm 上のTeflon (登録商標) チューブから
帯電滑剤が放出されるようにしたが、均一に付着しない
か、あるいはダイキャビティの壁上に適当な量で付着し
なかった。
を、全電荷をファラデーペールに集められた粉末の質量
で割ることにより計算した。グラファイト及び窒化ホウ
素粉末の場合、極性におけるいくらかの変化により結果
は不規則なものであった。Acrawax(登録商標) 及びステ
アリン酸リチウム粉末は両方とも正に帯電した。表2
は、Acrawax(登録商標) またはステアリン酸リチウムの
それぞれの5つの試料について測定された電荷−質量
比、及びそれぞれの5つの試料の平均電荷−質量比を示
す。
状電極をダイの外側の周りに置いた。電極に電位を印加
し、摩擦電気的に帯電した滑剤の噴出しを上記したよう
にダイ中に付着させた。帯電した滑剤のダイ中の付着は
非常に急速に生じ、ダイの1つの表面上に帯電した滑剤
の厚い均一な層が得られた。電極の正の極性により、帯
電した滑剤はダイの内側環の外側表面にのみ付着し、逆
の極性では、帯電した滑剤はダイの外側環の内側表面に
のみ付着した。本発明を特定の好ましい態様を参照して
説明したが、本発明は本明細書中に記載した具体的なも
のに限定されるものではないことは理解されるであろ
う。当業者は、本発明の概念及び範囲内の多数の変形及
び改変を容易に理解できるであろうし、そのような変形
及び改変の全ては、特許請求の範囲に定義された本発明
に包含されることを意図するものである。
想圧縮率曲線、及び潤滑化されていないダイ中で圧縮さ
れた比較金属粉末組成物の圧縮率曲線を示す。
の、種々の量の内部滑剤を混合した金属粉末組成物の圧
縮の予想圧縮率曲線を示す。
の、種々の量の内部滑剤を混合した金属粉末組成物の圧
縮の予想未焼結強度を示す。
Claims (14)
- 【請求項1】 壁表面により規定されるキャビティを有
するダイを用意し、 粉末冶金に適する金属粉末組成物を選択し、 粉末冶金に適するダイ壁滑剤を選択し、 0.2 μC/g より高い電荷−質量比に滑剤を摩擦電気的に
帯電させ、 前記帯電した滑剤を前記ダイの壁表面上に静電的に引き
寄せ、 ダイキャビティを金属粉末組成物で充填し、 前記金属粉末組成物を前記ダイ中で圧縮して未焼結圧粉
体を製造する、ことを含む未焼結圧粉体の製造方法。 - 【請求項2】 滑剤が乾燥形態で静電的に噴霧される請
求項1記載の方法。 - 【請求項3】 滑剤が固体粒子として静電的に噴霧され
る請求項2記載の方法。 - 【請求項4】 約50〜300 ℃の温度で圧縮を行う請求項
1〜3のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項5】 滑剤が、金属ステアリン酸塩、エチレン
ビステアラミド、ポリオレフィンベースの脂肪酸、ポリ
エチレンベースの脂肪酸、石鹸、二硫化モリブデン、グ
ラファイト、硫化マンガン、酸化カルシウム、窒化ホウ
素、ポリテトラフルオロエチレン、及び天然及び合成ワ
ックスから選択される請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 滑剤を静電的に噴霧した後に、ダイの極
性を可逆的に帯電させることを含む請求項5記載の方
法。 - 【請求項7】 滑剤が、液体に分散した固体滑剤、油ベ
ースの滑剤、溶媒ベースの滑剤、及び水ベースの滑剤か
ら選択される請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 金属粉末組成物が、鉄、鋼、または鋼合
金粉末から選択される請求項4記載の方法。 - 【請求項9】 金属粉末組成物に滑剤が混合されていな
い請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記未焼結圧粉体をダイから取り出
し、 前記圧粉体を焼結して金属複合部材を製造することをさ
らに含む請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 【請求項11】 金属複合部材が7.30 g/cm3より大きい
密度を有する請求項10記載の方法。 - 【請求項12】 金属複合部材が2,000 MPa より大きい
焼結強度を有する請求項10記載の方法。 - 【請求項13】 ダイキャビティを有するダイを受容す
る手段、 ダイ壁潤滑物質を帯電させるための摩擦電気的帯電手
段、 摩擦電気的に帯電した潤滑物質を前記ダイキャビティ中
に噴霧するための噴霧手段、 前記ダイキャビティ中に反転電界を発生させるための手
段、及び前記ダイキャビティを加熱するための手段、を
含む粉末冶金装置。 - 【請求項14】 ダイキャビティを有するダイを受容す
る手段、 ダイ壁潤滑物質を帯電させるための摩擦電気的帯電手
段、 摩擦電気的に帯電した潤滑物質を前記ダイキャビティ中
に噴霧するための噴霧手段、 前記ダイキャビティ中に反転電界を発生させるための手
段、及び粉末混合物を加熱し、加熱された粉末混合物を
前記ダイキャビティに導入するための手段、を含む粉末
冶金装置。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US29497994A | 1994-08-24 | 1994-08-24 | |
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