JPWO2019131053A1 - アルミニウム合金材並びにこれを用いたケーブル、電線及びばね部材 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]質量%で、Mg:0.20〜1.80%、Si:0.20〜2.00%およびFe:0.01〜1.50%を含有し、さらに、Cu、Ag、Zn、Ni、Ti、Co、Au、Mn、Cr、V、ZrおよびSnの群から選択される1種以上の元素:合計で0.00〜2.00%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる合金組成を有するアルミニウム合金材であって、結晶粒が一方向に沿って延在した繊維状の金属組織を有し、前記結晶粒が延在する長手方向に垂直なアルミニウム合金材の断面において、前記アルミニウム合金材の表面から、前記アルミニウム合金材の厚さの1/20に相当する厚さ位置Dに存在する結晶粒における平均結晶粒径R1が400nm以下であり、かつ、前記アルミニウム合金材の厚さ中心位置Cに存在する結晶粒における平均結晶粒径R2の、前記厚さ位置Dにおける前記平均結晶粒径R1に対する比(R2/R1)が1.8以上であることを特徴とするアルミニウム合金材。
[2]前記結晶粒が延在する長手方向に平行なアルミニウム合金材の断面において、前記厚さ位置Dに存在する結晶粒は、前記長手方向に測定した長手方向寸法L1と前記長手方向に垂直な方向に測定した短手方向寸法L2との比(L1/L2)が10以上である上記[1]に記載のアルミニウム合金材。
[3]前記アルミニウム合金材が線材である上記[1]または[2]に記載のアルミニウム合金材。
[4]前記線材の線径が0.01〜1.50mmである上記[3]に記載のアルミニウム合金材。
[5]前記アルミニウム合金材が板材である上記[1]または[2]に記載のアルミニウム合金材。
[6]前記板材の板厚が0.02〜2.00mmである上記[5]に記載のアルミニウム合金材。
[7]上記[3]〜[6]のいずれか1つに記載のアルミニウム合金材を用いたケーブル。
[8]上記[3]〜[6]のいずれか1つに記載のアルミニウム合金材を用いた電線。
[9]上記[3]〜[6]のいずれか1つに記載のアルミニウム合金材を用いたばね部材。
実施の形態のアルミニウム合金材の結晶粒の状態とその作用について図1および図2を用いて説明する。
次に、実施の形態のアルミニウム合金材の合金組成とその作用について説明する。
アルミニウム合金材は、質量%で、Mgを0.20〜1.80%、Siを0.20〜2.00%、Feを0.01〜1.50%含有している。以下では、質量%を単に%と記載する。
Mgは、アルミニウム母材中に固溶して強化する作用、および、結晶の微細化作用を有すると共に、Siとの相乗効果によって引張強度や耐屈曲疲労特性を向上させる作用を持つ。また、Mgは、溶質原子クラスターとしてMg−Siクラスターを形成した場合、引張強度や伸びを向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Mgの含有量が0.20%未満であると、上記効果が不十分である。また、Mgの含有量が1.80%を超えると、晶出物が形成され、加工性(伸線加工性や曲げ加工性など)が低下する。したがって、Mgの含有量は、0.20〜1.80%とし、好ましくは0.40〜1.00%である。
Siは、アルミニウム母材中に固溶して強化する作用、および、結晶の微細化作用を有すると共に、Mgとの相乗効果によって引張強度や耐屈曲疲労特性を向上させる作用を持つ。また、Siは、溶質原子クラスターとしてMg−Siクラスターや、Si−Siクラスターを形成した場合、引張強度や伸びを向上させる作用を有する元素である。しかしながら、Siの含有量が0.20%未満であると、上記効果が不十分である。また、Siの含有量が2.00%を超えると、晶出物が形成され、加工性が低下する。したがって、Siの含有量は、0.20〜2.00%とし、好ましくは0.40〜1.00%である。
Feは、鋳造や均質化熱処理中に、Al−Fe系、Al−Fe−Si系、Al−Fe−Si−Mg系などアルミニウムや必須添加元素と金属間化合物として晶出または析出する。これらのようにFeとAlとで主に構成される金属間化合物を、本明細書ではFe系化合物と呼ぶ。Fe系化合物は、結晶粒の微細化に寄与すると共に、引張強度を向上させる。また、Feは、アルミニウム中に固溶したFeによっても引張強度を向上させる作用を有する。Feの含有量が0.01%未満であると、これらの効果が不十分である。また、Feの含有量が1.50%を超えると、Fe系化合物が多くなりすぎて、加工性が低下する。なお、鋳造時の冷却速度が遅い場合は、Fe系化合物の分散が疎となり、悪影響度が高まる。したがって、Feの含有量は、0.01〜1.50%とし、好ましくは0.02〜0.80%、より好ましくは0.03〜0.50%、さらに好ましくは0.04〜0.30、一層好ましくは0.05〜0.25%である。
アルミニウム合金材は、必須添加成分であるMg、Si、Feに加えて、さらに、任意添加成分として、Cu、Ag、Zn、Ni、Ti、Co、Au、Mn、Cr、V、ZrおよびSnの群から選択される1種以上の元素を合計で2.00%以下含有している。
Cu、Ag、Zn、Ni、Ti、Co、Au、Mn、Cr、V、Zr、Snはいずれも、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、これらの任意添加成分の含有量の合計を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、これらの任意添加成分の含有量の合計を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Cu、Ag、Zn、Ni、Ti、Co、Au、Mn、Cr、V、ZrおよびSnの群から選択される1種以上の元素の含有量の合計は、0.00〜2.00%とし、好ましくは0.06%〜2.00%、より好ましくは0.30〜1.20%である。なお、これらの元素の合計含有量は、0.00%としてもよい。また、これらの元素は、1種の元素のみの単独で添加されてもよいし、2種以上の元素の組み合わせで添加されてもよい。
Cuは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Cuの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Cuの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下するとともに、耐腐食性が低下する。したがって、Cuの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Cuの含有量は、0.00%としてもよい。
Agは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Agの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Agの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Agの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Agの含有量は、0.00%としてもよい。
Znは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Znの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Znの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Znの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Znの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Znを含有することが好ましい。さらに、Znの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Znの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Znの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Niは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Niの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Niの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Niの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Niの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Niを含有することが好ましい。さらに、Niの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Niの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Niの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Tiは、鋳造時の結晶を微細化させ、また、耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Tiの含有量を0.005%以上とすることが好ましい。しかし、Tiの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがってTiの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Tiの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Tiを含有することが好ましい。さらに、Tiの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Tiの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Tiの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Coは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Coの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Coの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Coの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Coの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Coを含有することが好ましい。さらに、Coの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Coの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Coの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Auは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Auの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Auの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Auの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Auの含有量は、0.00%としてもよい。
Mnは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Mnの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Mnの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Mnの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Mnの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Mnを含有することが好ましい。さらに、Mnの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Mnの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Mnの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Crは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Crの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Crの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Crの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Crの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Crを含有することが好ましい。さらに、Crの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Crの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Crの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Vは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Vの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Vの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Vの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Vの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Vを含有することが好ましい。さらに、Vの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Vの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Vの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Zrは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Zrの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Zrの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Zrの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Zrの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Zrを含有することが好ましい。さらに、Zrの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Zrの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Zrの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
Snは、特に耐熱性を向上させる元素である。このような効果を十分に発揮させる観点から、Snの含有量を0.06%以上とすることが好ましい。しかし、Snの含有量を2.00%超とすると、加工性が低下する。したがって、Snの含有量は、好ましくは0.00〜2.00%、より好ましくは0.06%〜2.00%、さらに好ましくは0.30〜1.20%である。なお、Snの含有量は、0.00%としてもよい。また、腐食環境で使用される場合の耐食性を配慮すると、アルミニウム合金材は、Snを含有することが好ましい。さらに、Snの含有量が0.06%未満であると、耐食性の効果が不十分である。また、Snの含有量が2.00%超であると、加工性が低下する。したがって、耐食性の観点からは、Snの含有量は、好ましくは0.06〜2.00%であり、より好ましくは0.30〜1.20%である。
上述した成分以外の残部は、Alおよび不可避不純物である。不可避不純物は、製造工程上、不可避的に含まれうる含有レベルの不純物を意味する。不可避不純物は、含有量によっては加工性を低下させる要因にもなりうるため、加工性の低下を加味して不可避不純物の含有量をある程度抑制することが好ましい。不可避不純物として挙げられる成分としては、例えば、ホウ素(B)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、ストロンチウム(Sr)等の元素が挙げられる。なお、不可避不純物の含有量の上限値は、上記成分毎に0.05%以下、上記成分の合計で0.15%以下とすればよい。
次に、実施の形態のアルミニウム合金材の特性について説明する。
耐屈曲疲労特性の基準として、常温におけるひずみ振幅は±0.17%および±0.25%とした。耐屈曲疲労特性は、ひずみ振幅によって変化する。ひずみ振幅が大きい場合、疲労寿命は短くなり、ひずみ振幅が小さい場合、疲労寿命は長くなる。ひずみ振幅は、後述の図3に示す装置を用いて決定することができる。
伸びは、JIS Z2241:2011に準拠して測定する。詳しい測定条件は、後述する実施例の欄にて説明する。
実施の形態のアルミニウム合金材は、銅系材料およびアルミニウム系材料が用いられている、特に繰返し運動するあらゆる用途が対象となり得る。アルミニウム合金材は、具体的には、電線やケーブル等の導電部材、集電体用のメッシュや網等の電池用部材、コネクタや端子等の電気接点用ばね部材、半導体用のボンディングワイヤー、発電機やモータに用いられる巻線等として好適に用いることができる。
アルミニウム合金材、例えばAl−Mg−Si系合金線材は、曲げ歪の大きくなる表層近傍に小さな結晶粒を集積させながら、曲げ歪の小さい厚さ中心位置Cに比較的大きな結晶粒を存在させることにより、高耐屈曲疲労特性と伸びの両立を図ることができる。したがって、従来のアルミニウム合金材の製造方法で一般的に行われてきた、Mg−Si化合物の析出硬化、あるいは、結晶を微細化させる方法とは、アプローチが大きく異なる。
実施例1〜4は、表1に示す合金組成を有する直径10mmの棒材を用い、前処理工程[2]として直径1mmの鋼球を用いてショットピーニング加工を行った後、表1にそれぞれ示す製造条件A〜Dにて、いずれも線径0.5〜0.05mmのアルミニウム合金線材を作製した。
実施例5〜8は、表1に示す合金組成を有する直径60mmの棒材を用い、前処理工程[2]としてスエージング加工により棒材を直径10mmとした後、表1にそれぞれ示す製造条件A〜Dにて、いずれも線径0.5〜0.05mmのアルミニウム合金線材を作製した。
実施例9〜15は、表1に示す合金組成を有する直径10mmの棒材を用い、前処理工程[2]として線引きダイスを用い、1パス減面率<5%のスキンパス加工を行った後、表1にそれぞれ示す製造条件A〜D、C、D、Cにて、いずれも線径0.5〜0.05mmのアルミニウム合金線材を作製した。
実施例16〜18は、表1に示す合金組成を有する直径60mmの棒材を用い、前処理工程[2]としてスエージング加工により棒材を直径30mmとした後、表1にそれぞれ示す製造条件A、A、Dにて、いずれも線径1.5〜0.2mmのアルミニウム合金線材を作製した。
比較例1〜4は、表1に示す合金組成を有する直径10mmの棒材を用い、表1にそれぞれ示す製造条件C、C、F、Cにて、線径0.15mm、3.7mmのアルミニウム合金線材を作製した。
表1に示す合金組成を有し、表1に示す製造条件Eにて、線径0.08mmのアルミニウム合金線材を作製した。
準備した棒材に対し、加工度6.0の冷間加工[1]を行った。なお、調質焼鈍[3]は行わなかった。
冷間加工[1]の加工度を8.5とした以外は、製造条件Aと同じ条件で行った。
冷間加工[1]の加工度を11.0とした以外は、製造条件Aと同じ条件で行った。
準備した棒材に対し、加工度8.5の冷間加工[1]を行い、その後、処理温度100℃、保持時間5時間の条件で調質焼鈍[3]を行った。
冷間加工[1]の加工度を2.0とした以外は、製造条件Aと同じ条件で行った。
<製造条件E>
グラファイトルツボ内に、純度が99.95%のアルミニウム、純度が99.95%のマグネシウム、純度が99.99%のケイ素、純度が99.95%の鉄をそれぞれ所定量投入し、高周波誘導加熱により720℃で撹拌溶融して、Al−0.60質量%Mg−0.30質量%Si−0.05質量%Feの合金組成を有する溶湯を製造した。続いて、この溶湯をグラファイトダイスが設けられた容器に移し、水冷したグラファイトダイスを介して、約300mm/分の鋳造速度で10mmφ、長さが100mmのワイヤを連続鋳造した。そして、ECAP法によって4.0の累積相当ひずみを導入した。この段階の再結晶化温度は300℃と求められた。そして、不活性ガス雰囲気中で、250℃にて2時間の事前加熱を行った。次に、加工度0.34の第1の伸線処理を施した。この段階の再結晶化温度は300℃と求められた。そして、不活性ガス雰囲気中で、260℃にて2時間の1次熱処理を行った。その後、水冷した伸線ダイス内を500mm/分の引き抜き速度で通過させて、加工度9.3の第2の伸線処理を行った。この段階の再結晶化温度は280℃と求められた。そして、不活性ガス雰囲気中で、220℃にて1時間の2次熱処理を行って、線径0.08mmのアルミニウム合金線材を得た。
上記実施例および比較例で得られたアルミニウム合金線材を用いて、下記に示す特性評価を行った。各特性の評価条件は下記の通りである。結果を表1に示す。
JIS H1305:2005に準じて、発光分光分析法によって行った。なお、測定は、発光分光分析装置(株式会社日立ハイテクサイエンス製)を用いて行った。
金属組織の観察は、走査イオン顕微鏡(SMI3050TB、セイコーインスツル株式会社製)を用い、SIM(Scanning Ion Microscope)観察により行った。加速電圧30kVにて観察を行った。
藤井精機株式会社(現株式会社フジイ)製の両振屈曲疲労試験機を用い、±0.17%および±0.25%の歪み振幅の曲げ歪みが与えられる治具を使用して、繰返し曲げを実施することにより、繰返し破断回数を測定した。この試験は、各実施例ににつき、4本の線材を用意し、線材4本を1本ずつ測定し、その平均値(N=4)を求めた。図3に示すように、アルミニウム合金線材1を、曲げ治具2及び3の間を約1mm空けて挿入し、曲げ治具2及び3に沿わせるように繰返し運動をさせた。巻癖のついた線材は、引張歪を付与することで真直とし、試験中に一定の場所に繰返し曲げ歪が付与されるようにした。アルミニウム合金線材1の一端は、繰返し曲げが実施できるよう押さえ治具5に固定し、もう一端には、アルミニウム合金線材1の0.2%耐力の1〜5%の負荷応力となるような重り4をぶら下げた。試験中は押さえ治具5が動くため、それに固定されているアルミニウム合金線材1も動き、繰返し曲げが実施できる。繰返しは1分間に100回の条件で行い、アルミニウム合金線材1が破断すると、重り4が落下し、カウントを停止する仕組みになっている。また、アルミニウム合金線材1は、従来のアルミニウム合金線材よりも強度が高く、重り4の重量が通常の繰返し曲げ試験よりも重くなる傾向があるため、曲げ治具2及び3での摩耗を抑制することを目的として、曲げ治具2及び3にPTFE製テープを貼付した。
JIS Z2241:2001に準じて、精密万能試験機(株式会社島津製作所製)を用いて、引張試験を行い、伸びを測定した。なお、この試験は、評点間距離を10cm、変形速度を10mm/分の条件で実施した。また、各実施例ににつき、3本の線材を用意し、線材3本を1本ずつ測定し、その平均値(N=3)を各線材の伸びとした。伸びは大きいほど好ましく、3.0%以上を合格レベルとした。
2、3 曲げ治具
4 重り
5 押さえ治具
Claims (9)
- 質量%で、Mg:0.20〜1.80%、Si:0.20〜2.00%およびFe:0.01〜1.50%を含有し、さらに、Cu、Ag、Zn、Ni、Ti、Co、Au、Mn、Cr、V、ZrおよびSnの群から選択される1種以上の元素:合計で0.00〜2.00%を含有し、残部がAlおよび不可避不純物からなる合金組成を有するアルミニウム合金材であって、結晶粒が一方向に沿って延在した繊維状の金属組織を有し、前記結晶粒が延在する長手方向に垂直なアルミニウム合金材の断面において、前記アルミニウム合金材の表面から、前記アルミニウム合金材の厚さの1/20に相当する厚さ位置Dに存在する結晶粒における平均結晶粒径R1が400nm以下であり、かつ、前記アルミニウム合金材の厚さ中心位置Cに存在する結晶粒における平均結晶粒径R2の、前記厚さ位置Dにおける前記平均結晶粒径R1に対する比(R2/R1)が1.8以上であることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 前記結晶粒が延在する長手方向に平行なアルミニウム合金材の断面において、前記厚さ位置Dに存在する結晶粒は、前記長手方向に測定した長手方向寸法L1と前記長手方向に垂直な方向に測定した短手方向寸法L2との比(L1/L2)が10以上である請求項1に記載のアルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材が線材である請求項1または2に記載のアルミニウム合金材。
- 前記線材の線径が0.01〜1.50mmである請求項3に記載のアルミニウム合金材。
- 前記アルミニウム合金材が板材である請求項1または2に記載のアルミニウム合金材。
- 前記板材の板厚が0.02〜2.00mmである請求項5に記載のアルミニウム合金材。
- 請求項3〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金材を用いたケーブル。
- 請求項3〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金材を用いた電線。
- 請求項3〜6のいずれか1項に記載のアルミニウム合金材を用いたばね部材。
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