JPS60501850A - 低密度反応接着体の使用によるホツトプレスした窒化ケイ素の製造 - Google Patents
低密度反応接着体の使用によるホツトプレスした窒化ケイ素の製造Info
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- JPS60501850A JPS60501850A JP50267683A JP50267683A JPS60501850A JP S60501850 A JPS60501850 A JP S60501850A JP 50267683 A JP50267683 A JP 50267683A JP 50267683 A JP50267683 A JP 50267683A JP S60501850 A JPS60501850 A JP S60501850A
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- C04B35/6455—Hot isostatic pressing
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】
低密変反応接着体の使用によるホ
ソトゾレヌした窒化ケイ素の製造
技術分野
本発明はセラミックス、詳しくは窒化ケイ素をホットプレスする技術に関する。
発明の背景及び先行技術の状態
本発明は出発物質としてのケイ素又は窒化ケイ素の粉末からホットプレスした窒
化ケイ素の製造技術の改良に関する。ケイ素粉末から出発する場合にはそのよう
な粉末をまず反応性窒fヒガスに供して混合相の多結晶性窒化ケイ素剛体を形成
し、次いで該剛体釦ホノトゾレスする。この技術範囲内に該粉末材料を間めるた
めの数種の方法が存在する。すなわち(a)窒化前に、又は窒化することなく該
操作の早期段階として粉末プリフォームに冷間圧縮成形又は冷間形成すること(
米国特許第3,839,540号明細書参照)、(b)圧縮1Jン゛形せずに窒
化すること(本出願人に通常譲渡された米国特許出願通番第448,889号明
細書参照)、及び(C) 予め圧縮成形又は窒化せずに、813N4を使用する
操作の最終段階としてホットプレスすることによるものである。
2
任命の+2アグロメレーノヨン技術を使用して予備成形した、又は得られたケー
クは該材料の十分な微密化を達成するためにν常に長し)ホノトフ0レス11程
を必要とする厳密な高さ対中の比を示す。例えば該ケーク及びフ0リフォームは
0.9〜2.59m1cm”の密度を倚する場合があす、シかも6259m/−
3又(はそれ以上の密度に転化させなけハはならない。長い圧縮行程は特にホノ
[・ブレスンこ関係する高温高圧条件下において有意のfall壁抵抗、すなわ
ちケーク又はビレットの側面と圧縮キャビティーの内壁との間の界面における1
禁擦障害を引き起こす。該側壁抵抗は該材木1内の温度勾配及び圧力勾配に関連
して「物質移動」を生じ、得られた圧縮生成物のわん状変fY ’Br来(a+
、+;h1ng 5ffect )を生じさせる。こ′I]−は全く明言するこ
とかできる。
1記に示しだ不利益なしに比較的に低密Lヶのケ〜り又にフ0リソオーツ、をホ
ノ[・プレスすることのできる方t!、が必要である。
発明の要約
本発明は多数の予備成形したセラミック )0レートを、該フ0レートを円筒状
キャビティーを囲む壁に沿って軸流圧縮((I X l a l Cl)m p
1” e S s 1011 )することにまり十分に微密化する方法である
っ壕ず一連の予備成形したセラミック プレートを該プレートの最小寸法がキャ
ビティーの輔方回に一致し、該フ0レートか1:5から1:40才での節囲内の
最小寸法対最大寸法の比を有し、しかもキャビティーの横方向の寸法よりも小さ
い寸法を有して該プレートと壁との間に環状の空間を残すよう如して壁に沿って
積み重ねる。
次イテ該プレートをキャビティー中に導入する伯父:は後のいずれかにおいて擬
イυ平衡(1ツ・: i3111’l Oi、5ostatic )加圧媒体を
該プレートの周りに置いて、キャビティー内に積み重ねる場合におけろ空間を満
たす。積み庫ねた一連の該プレートを、前記空間を満たした媒体と共にホソトフ
0レスする。該ホットプレスは前記プレー(・を実質的に十分な密度を有するビ
レットに変化させるのに十分な温度及び圧力下において行う、。
該)0レートの予備成形は下記のものを含めて多数の方法により達成することが
できる’、(1) 3.3N4と緻′、若化添加剤との混合物を加圧下に圧縮成
形する、(2)813N4と緻密化添加剤との混合物を非圧力)ζに成形るつぼ
中において予熱する、(3)クイ索r属扮末と機器化添加剤との混合物を圧縮成
形し、次いで該混合物を適当な成形皿に3いて窒化する。及び(・11 ケイ素
金匡粉末と緻密化添加剤との非圧縮成形混合物を適−!+な吸形皿において窒化
する。
好ましくは該擬似平衡加圧媒体を窒化ホウ素粉末、りん状黒鉛、窒化ケイ素と窒
化ホウ素との粉末混合物1粉砕ホウケイ酸ガラス、及び黒鉛箔りり成る群から選
択する。該環状間隙はギヤビデイーの半径に沿って測定シテ1/8〜1/64イ
ンチであるのが好ましい。該擬似平衡加圧媒体(は下記の様式、すなわち注型、
振動、スラリー被覆、又(d移植(imp]、a、nta−tion )の一つ
によってビレットの周囲に配置することができる。
該プレートは0.8〜2.49m/rs′3の全範囲(・てわたる密度を有する
ことが好ましい。有利にIハ該予備成形したデl/−1−は窒化ケイ素と圧縮助
剤との粉末混合物を冷間圧縮成形することにより製造し、各)017)フォーl
・はホットプレス前の密度1,6〜1.89m lon ”を崩すん該予備成形
し2′Iζフ0レートは約5枚の群として積み重ね、各群は剛性の不活性スに一
す−(黒鉛のような)により4に隔離し、該スペーサーは該円筒状ギヤビプ1=
を横切って緊密(で適合し、た横方向の寸法を有する1、空間に1.・ま窒化ホ
ウ素粉末を満たすことか好寸しい、。
L記の代りにr Sl @唄を冷間圧縮し、次いて¥化することにより、好まし
くは2.0〜2.3 、!/m/ccの密度を有するビトノトを製造する。該ブ
レーIBIJ又はグラボイル(Hraf’otl )ン′−[・のような覗型有
11(てより畷離し、−方を他方の上に重ねて、ホットプレスする際に何効ホノ
トゾレス帯域を占める高さとする。黒鉛のような剛性スペーサーは使用しない。
あるいは−また、ケイ素及び融剤の非jモ縮成形量を窒化雰囲気中において加熱
し、該混合物を十分(・(反応、6せて反応結合したケークを生成させることに
よりビレノー・を好都合に製造する。該ケークはそれぞれ1.1〜1.8 gm
、 / ccの密度を有する。っ該反応結合しだケークは前記空間を満たすのに
効果的である数層の黒鉛箔(でよって包む。
図面の要約
第1図は本発明の原理によりホノトフ0I/ヌする準備のできた、積み重ねられ
た一連の予備成形′Lだフ0レートとホットプレス装置との概略的断面図である
。
第2図、及び第6図は別法1・てよりホノトフ0レスするだめの、第1図に類(
14する図面である。。
発明を実施するだめの最良の伸様
不発明を実施するだめの奸件しい方法は1−′記のとお粉末ケイ素と、該クイ索
粉末−Lの酸化物膜としての8102と、少くとも1種の反応性5素担持剤との
混合物を調製する。該反応性酸素世持剤は本明細書において、加熱された窒素雰
囲気下にケイ素と反応した場合に第二次相微結晶(S e COn d p h
1S e Cr Y 5 ta ]、 l 1 te )、特にオキシニトリ
ド及び/又(L′i、適当なケイ酸塩を生成する効果のある粉末成分、又はホッ
トプレス操作自体の間に発育する該粉末成分を量体するものと定義する。
該酸素担持i1」は緻密化剤とし7て作用し、かつY2O3、6
Mg0 、CeO2、ZrO2、Hf O2ならびにその件の希土類より成る群
から好都合に選択することができる。
好ましい方法のためには均一な粉末混合物を、ケイ素2000グラム(混合物の
86.6重量%)、Y2O3278グラム(混合物の12重量幅及びケイ素の1
6.9重量%)、及びA12o362クラム(混合物)1.4重量%及びケイ素
の1.6重量%)により調製する。
酸素担持剤として使用することのできる範囲は混合物の0.4〜2.3モル係、
及びケイ素の0.42〜2.4重量%である。
通常と許容される不純物及び粒度については本出願人に通常譲渡された同時係属
米国特許出願通番第4’44,251号明細書に更i(詳細に記載されており、
該明細書の開示は参考として本明細書に組み入れる。
(b) 摩砕
該混合物をプランダム(Burundum )シリンダーの形状の粉砕媒体(A
42o385 %、51o211%、 MgO2%、cao 1.2 %、Tl
O2、Fe2O3、Na2O及びに2oの組合せ0.8 % )と共に不活性閑
砕びん中に装入することにより微粉砕し、かつ混合する。該混合物を64rpm
において約48時間にわたって摩砕し、次いで4P10メツシユの篩の使用によ
り媒体から分離する。
この摩砕は乾燥状狸において行う。得られる摩砕混合物はその少くとも50重量
%を平均粒径約4ミクロンにおいて有シ、シかも90重量%を26ミクロンより
も特表昭GO−501850(4)
小さい粒径において有する。
(c) 炉中への粉末供給物の仕込
次いで該摩砕した混合物を、炉中への運搬設備として使用する概して平らなけ火
■又は耐火プレート上に注ぐ。該皿は材料がプレートの縁を鍾えてこぼれるのを
防止するためにのみ十分な高さのリムを有することができる。しかしながら該フ
0レートの直径又は・購方向の寸法はその寸法が、後にホットプレスのために使
用する円筒状キャビティー14の直通18よりも小さい直径16を有する予備成
形したプレート又はケーク(第1図参照)を形成するように定めるべきである。
この差はプリフォーム21の周囲に環状空間15を考慮するためであり、この空
間は平衡加圧媒体により満たす。形成すべき各ビレット21の最小寸法ζ最人士
法の比は1:3から1=40までの範囲であるべきである。
該粉末混合物は皿を横切って概して均一に分布し、1〜2インチの範囲の厚さを
待たせる。所望形状の粉末を加熱炉に運ぶために他の形状のキャリヤーを使用す
ることができる。例えば円筒形状又はキユービクル形状の耐火型炉取付具を使用
することができ、あるいは最終製品に所望される一般断面形状に類似し、しかも
ホットプレス用円筒の断面に類似する一般断面形状を有するその他の多角形も使
用できるっ該炉取付具は該粉末をその中に注ぎ込み、収容し、が支持することが
できるけれど、圧縮成形はされないようだ設計されている。上記のようなキャリ
アー落は炉取付具上の、ゆるい、圧縮されていない粉末の密度は0.4〜1.2
9m1(至)3の範囲、好ましくは1 、OfJm /、s 3よりも少くでよ
い。該密度は粒度及びケイ素粉末の粒度分布の関数である。しだがって例えばケ
イ素粉末供給物が10ミクロンよりも大きくない最大粒径を有する場合には径基
準において、ゆるい密度は約0.509m/Cm”である0
(d+ 窒化物の加熱
次いで該ゆるい混合物を適当な窒化雰囲気中においで加熱して、窒化ケイ素包含
プリフォームを製造する。
該炉は1ミクロンより小さい圧力に減圧排気し早い速度、すなわち500’F/
時(270℃/時)から1200’″F/時(649℃/時)において加熱する
ととが好ましい。
次いで炉を、窒素97重量係、水素6係より成る約2.7 psigの圧力にお
ける気体混合物により満たす。
次いで炉の温度を段階的に増加させ−r2000〜2600’F(1093〜1
427℃)の最終窒化温度にする。その後において該温度を一定に保つ。新鮮な
窒素を断続的に炉に供給して窒化ケイ素の生成において消費した窒素を補充する
。米国特許第4,235,857号明細書(マンケゞルス)に示されるような任
意の慣用の窒化手順を使用することができる。該明細書の開示は参考として本明
細書に組み入れる。
窒化手順は約72時間にわたって行い、すべての場合に80時間よりも長くない
。この時間はさきに圧縮成形されている窒化ケイ素の窒化手順(C要する通常の
時間の半分よりも多い。窒作中にゆるい粉末1・昆合物を使用することによりケ
イ素と窒素との間に生ずる通常の発熱反応が抑制され、かつそのような速やかな
発熱反応を静めて、若干のケイ素粒子の無制御の、又は局部的な融解が防止され
る。ケイ素粒子が融解すればそれらは適切に窒化することができず、ホットプレ
ス製品の若干の物性に悪影響を及ぼす結果を生ずる。そのほか、該融解した粒子
が流動床中に集合し、これが通常の拡散操作が行われるのを妨げるのでアルファ
窒化ケイ素に必要な窒素の拡散が抑制される。
該窒化した予備成形プレートは好ましくは1.1〜1、δf1m /CM3の密
度を有し、かつ窒化ケイ素(その少くとも60重量%は好捷しいアルファ相であ
る)を3〜15%のケイ素イツトリウムオキシニトリドと共に含有する。
2 積み重ね
第1図に不すように、多数の予備成形したプレート21をホットプレス装置10
内に、該予備成形したプレートの最小寸法(厚さ)を壁14により定められる圧
締(pressing )キャビティーの軸49の方向に−10
致させて直列に積み重ねる。該プレートは窒化ホウ素又はグラフオイルのような
、いずれも剛性スペーサーどして作用しない、薄い離型剤により被覆することが
好ましい。該フ0レートの数は介在するスペーサーを使用しない積み重ねにおい
て好ましくは10〜12であることができる。
該装置は内側壁面14を定める黒鉛円筒11と、少くとも1個が軸方向に動いて
圧締力23を与える黒鉛70ラノジヤ12及び13とを有する構造を持つもので
ある。該予備成形したプレートは5L3N4の反応結合体に灼して0.8〜2.
0 ym/am3、好捷しくは1.1〜1.8ym/cm”の密度と、1:6か
ら1:40までの範囲における最小寸法17灼最大寸法16の比とを有すること
ができる。最大・士法は、ビレットの外壁20と円筒11の内壁14との間に環
状空間15を残すために圧締キャビティーの横方向の寸法18(内径)よりも小
さくなけれはならない。該空間は圧締キャビティーの半径19に沿って/8〜/
。4インチのオ云を有する。
6、 充てん空間
環状空間15を、好ましくは窒化ケイ素粉末、りん状黒鉛、窒化ケイ素と窒化ホ
ウ素との粉末混合物(約50150)、粉砕ホウケイ酸ガラス、及び黒鉛亀より
成る群から選択した擬似平衡加圧媒体により勇た力該平衡媒体は、その緻密化工
程を妨げないように、予備成形したフ0レートにより経験された圧縮比よりも高
い圧縮比を有しなければならない。この実施態様においては、6フ0ライC厚さ
約0.008〜0.010インチ)の黒鉛箔でビレットの外径の周りを包んで、
予定空間15を占拠し、かつ満たす。空間15に擬似平衡加圧媒体を配置する、
その他の方法としては圧型、振動、スラリー被覆、ならびにその他の形態のイン
ブランチ−7ヨン(移植)を包含することができる。
4 ホットプレノシフグ
次いで該積み重ねた予備成形プレートを適当な平衡加圧媒体と共にホットプレス
して、要求される寸法及び密度を有する窒化ケイ素包含ビレットを製造する。
加熱及び圧縮は増分的に行うことが好ましい:(1)約100 psiの機械的
荷重を室温((おいて物体にかける。このような荷重は、窒fヒプレートを予め
緻密化することが所望の場合には2000父は6000psiまで増加させるこ
とができる。
(2)次いで温度を1800壬(982℃)に上はかつ圧力をかなりの高水準に
増加させる。
(3) 次いで温度を2500丁(1371℃)に土は同時に圧力を2500
psiに増加させる。
(4)最後に温度を3000下(1649°C)のホットプレス温度に上げ、圧
力に5700psxに増加させ、後者の条件を理論的に完全な密度の少くとも9
9%、または望ましくは99.5%か達成されるまで維持する。
これには通常にホットプレス温度において0.25〜2
2.0時間を要する。次いで該目的物を、′@、冷さえも含めて任意の速度で室
温に冷却する。得られる目的物は実質的にベータ窒化ケイ素と2.9〜14.4
重量係のケイ素オキシニトリ1及び少量の、恐らくはアルミニウム含有ケイ酸塩
であるケイ酸塩がラスとより成る。
5 別法
好ましい態様は1500 psi以上の圧縮力を使用し、ケイ素金属混合物全冷
間圧縮成形して低密度の予備成形したプレート(約1.4gm/cIn3の密度
)を形成することにより簡単に変えることができる。次いで該シリフオームを好
ましい態様としての窒化及びポットプレスにより加工する。フ0レートを、分離
手段としての窒化ホウ素によりコーティングする。擬似平衡加圧媒体は好ましく
は窒化ケイ素50%と窒化ホウ素50%との粉末混合物であるよりに選択する。
該媒体を空間15に満たす。この場合もまたかレート間又はプレート群間に剛体
スペーサーは不要でりる。
該プリフォームはまた窒化ケイ素粉末と緻密化助剤とを混合し、該混合物を1:
6から1:4oまでの範囲における、要求される厚さ38苅幅39の比を有する
プレートに冷間圧縮成形又は予熱することにより製造することもできる。圧縮成
形する場合は、約1500psiの圧力を使用して上記プレートにおける1、6
〜1.8 gm/c1n3の密度を与える。予熱する場合は不活性雰囲気中にお
ける約4〜40時間にわたる約2200〜4500下の温度を使用するっ第2図
1だ示すようにビレットは現寸の剛性黒鉛スペーサW直径50を有する)により
長さ方向に隔離され、かつ環状スペーサー35及び36により壁14から横方向
に離された5枚の群(群22は部材24〜28を有し、群23(d部材29〜3
3を有する〕の状態において積み重ねることができる。空間は1/8〜1/]6
イtの半径方向寸法37を有し、かつ窒化ホウ素粉末により満たされている。
温度を1750℃に上昇させる点を除いて該好ましい実施態様の加熱順序を採用
する間に、両方のぎストン13及び12が動いて該償み重ねたビレットを2軸圧
縮する。
もし10枚以上のプレートを同時(でホットプレスすることか望ましければ、そ
れらは最小運動帯域24から遠方になるほど数が減少する群の状態でキャビティ
ー内に配列すべきである。説明のため(第6図参昨λプレート43の群は剛性黒
鉛部材44上に配置され、かつ5個のビレットを含み、この群は最小運動帯域に
ある。プレート420群は3個のビレットを含み1群41及び40はそれぞれ2
個及び1個のビレットを會み、かつ最小運動帯域から更に遠方に配置される。こ
れらの群は増進的に厚くなる剛性黒鉛スペーサー45.46及び47により隔離
される。該スペーサー(は円筒状壁50の内部に密接1c適合するのに効果的な
直径を有する。空間15は黒鉛箔の層によって満たす。
本発明方法の大きな利点の一つはホントプレスの留果としての化学反応によって
汚染されていない黒鉛ホットダンス装置部材の再使用能力である。該装置は本方
法にしたがい、特別の再調整なしに20回又はそれ5 以上使用した。
≦旨コ=ミ;・工・
二=ヰ=;・已・
ニ=臣至==・二・
国際調査報牛
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 多数の予備成形したセラミック裂フ0レートを、円筒状キャビティーを定め る壁に沿って前記フ0レートを軸流圧縮することにより十分に緻密化する方法に おいて。 (a) −一連のΦ前記予備成形したセラミックス製プレートを前記壁に沿って 、前記プレートの最小寸f去が前記キャビティーの軸と同一方向に揃い、それぞ れの前記プレーi・が1:6から1=40までの範囲における最小寸法対最大寸 法の比を有し、前記最大・型抜か前記キャビティーの横方向の・」−法よりも小 であって、前記フ0レートと壁との間:、こ環状空間を・残すようにして槓み重 ね: (b) 前記プ゛レートの@記キャビデ・イーへの導入の後文(rよ前のいずれ かにおいて擬fυ平衡加l:+(p・3モ月1d○L;’、0statlCpr esslng )媒体を前記フ0レートの筒り:・ζ配置して、前記キャビティ ーに槓み重ねら7Fした場合・、・こおける前記空間を渦たし:次いで (C) 前記積み重ねられた一連の予備成形したフ0レートを、前記空間を尚た した前記加圧媒体と共にホノトフ0レスし、前記ホノトフ0レスを、前記フ0レ ートか実質的に十分な密度(r’bするビレットに転化するのに十分な温度反ひ よりを匝用して行う、 ことを包含する前記方法。 2 前記擬似平衡加圧媒体を窒rヒホウ素粉末1.鱗状黒鉛、窒化ケイ素と窒化 ホウ素との粉末混合物、粉砕ホウケイ酸がラス、及び黒鉛箔より成る群から選択 する。請求の範囲第1項記載の方法。 6 前記環状空間が前記キャビティーの半径に沿って1/〜1/ インチの寸法 を有する、請求の範囲第8 64 1項記載の方法。 4 前記擬似平衡加圧媒体を次の態様:注型、振動、スラリー被覆又は移植(工 mpla、ntalr*r1)の一つによって@記フ0レートの周りに配置する 、請求の範囲第1項記載の方法。 5 工程0)における前記フ0レートの徨1度か08〜249m/nn”の範囲 にある、請求の範囲第1項記載の方法。 6 多数の冷間圧縮した窒化クイ素子備成形プレートを、円筒状キャビティーを 定める壁(・て沿って前記)0レートを軸流圧縮することにより上方に緻密化す る方法において: (a) 一連の前記フ0レートを前記壁シで市って、前記フ0レートの最小寸法 が前記キャビティーの軸と同一方向に揃い、前記プレートが1.6〜Cd 9m 1cm”の範囲における密度及び1.6から1:4Qiでの範囲における最小寸 法対最大寸法の比を有し、前記最大寸法が前記キャビティーの横方向の寸法より も小さくて前記フ0レートと壁との間に環状空間を残すようにして積み重ね; (b、前記環状空間を平衡加圧媒体ICより満たし:次いで (c) 前記積み重ねた一連のフ0レートを前記空間における前記加圧媒体と共 にホットプレスし、前記ホノトフ0レスを前記フ0レートの実質的て十分な密度 を達成するのに十分な温度及び圧力を使用して行う、ことを包含する前記方、去 。 7 前記プレートをビレット群の間に介在する剛性の不活性スペーサーと共に積 み重ね、各スペーサーは該円筒状キャビティーを横切って密接に適合するのに効 果的な横方向の寸法゛を有する、請求の範囲第6項記載の方法。 8 前記プレートの群のそれぞれの数が約5である、請求の範囲第7項3己範の 方、去。 9 多数の反応結合した窒化ケイ素の予備成形プレートを、円筒、状キャビティ ーを定める壁に沿って前記ビレットを細流圧縮成形することにより十分に緻密化 する方法において: (a) 一連の前記予備成形したプレートを前記壁に沿って、前記プレートの最 小寸法が前記キャビティーの軸方向に揃い、前記プレートが2.0〜2.4 j 1m/lyn”の範囲における密度及び1′ろから1:40−1での範囲におけ る最小寸法附最大寸法の比を有し、前記最大寸法が前記キャビティーの横方向の 寸法よりも小であって前記プレートと壁との間に環状空間を残すようにして積み 重ね: (b) 前記環状空間を観して等量の窒[ヒケイ素粉末と窒化ホウ素粉末とより 成る擬似平衡加圧媒体により満たし:次いで (C) 前記積み重ねた一連のビレットを前記空間における前記媒体と共にホッ トプレス已、前記ホットプレスを、前記フ0レートの実質的に十分な密度を達成 するのに十分な温度及び圧力を使用して行う、ことを包含する前記方法。 10 粉末化したケイ素と、この混合物のホットプレスを助成するだめの融剤と の混合物の圧縮成形量r加熱し、前記加熱をホノトフ0レスに通常に関係する圧 力を使用することなく適当な窒fヒ雰囲気中において行い、前記混合物と前記雰 囲気とを完全に反応させて窒1ヒケイ素包含プレートを形成し、前記混合物が増 大された細孔網状組織を有して該雰囲気の内方・\の移動効率を高め、かつ雰囲 気に露出される増大された表面積?有して窒化拡散距離を減少させることにより 前記反応結合したビレットを特徴する請求の範囲第9項記載の方法。 11 前記擬似平衡加圧媒体かすべての@記プル−トの側面を囲み、しかも前記 積み重ねた一連のビレットの頂部及び/又は底部に加圧力金加えつつ、前記壁と グレートとの間における単独加圧媒体として作用する、9 請求の範囲第9項記載の方法。
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