KR100602897B1 - 냉간 변형에 의한 금속부재 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 i) 제조 대상 작업부재의 블랭크 자유 표면에 금속성 아연 기재 층을 기계적으로 침적하는 단계, 및 ⅱ) 상기 작업부재를 소성 변형에 의해 성형하는 단계로 이루어지는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법에 관한 것이다.

Description

냉간 변형에 의한 금속부재 성형 방법{METHOD FOR FORMING METAL PARTS BY COLD DEFORMATION}
본 발명은 일반적인 냉간 변형에 의한 금속부재 성형 방법에 관한 것이다.
각종 냉간 성형 방법 중, 우선 펀치(punch)와 다이(die) 사이의 압축력 하에서 금속 질량 흐름을 야기시키는 성형 방법인 금속 압출 또는 냉간 단조에 관해 기술한다. 이 방법에서는 윤곽이 뚜렷한(well-defined) 기하학적인 형상의 각종 부재를 얻는 것이 가능하다. 이런 형태의 변형은 트랜스퍼(transfer)를 장착하거나 장착하지 않은 하나 또는 그 이상의 작업 스테이션을 구비하는 종방향 또는 횡방향 프레스를 필요로 한다.
압출법(extrusion)과 유사한 다른 냉간 변형 기술로 냉간 프레스가 알려져 있다. 이 경우에 있어서, 단일기계, 일반적으로 하나 또는 그 이상의 스테이션을 구비하는 횡방향기계에서 하나 또는 그 이상의 변형 단계가 실행된다. 이들 작업 스테이션에는 일반적으로 실제 압출 성형의 경우 보다 낮은 하중하에서 소성 변형하는 금속 와이어가 공급된다.
마지막으로, 작은 직경의 길이를 얻기 위해서, 일반적인 냉간 프레스 스테이션으로 공급되는 와이어의 릴로부터 시작하는 중간 또는 예비적 예비성형(preforming) 단계로 이루어지는 와이어 인발(wire drawing)의 냉간성형공정을 예로 설명한다. 이런 형태의 변형은 주로 나사와 볼트 제조시 상측 단계에 사용되고 있다.
냉간성형기술은 다수의 강과 일반적인 비철합금에 적용될 수 있다. 일반적으로, 이 작업은 특정한 준비 작업을 실행하고 슬러그(slug), 블랭크(blank) 또는 예비 성형(preform)을 시작으로 주위 온도에서 실행된다.
냉간 변형 형태의 실시예로, 플래트닝(flattening), 예비적 성형(preforming), 전진압출(forward extrusion) 또는 역전압출(reverse extrusion), 중공 또는 "인필레이드(enfilade)" 전진압출, 측방압출, 스트레칭(stretching), 업세팅(upsetting), 사이징(sizing) 또는 콘 포밍(cone forming)도 언급될 수 있다.
이러한 냉간 변형을 실행할 수 있는 압출가능한 강의 각종 범주에는, 특히 범용 비합금강, 바람직하게는 열처리용 특수비합금강, 일반적인 미세탄소강, 열처리용 특수합금강, 스테인레스 스틸 또는 미소합금강(microalloy steel)이 포함된다. 후자는 어닐링(annealing) 없이 냉간 성형될 수 있고, 허용가능한 잔류 연성(residual ductility)을 계속 유지하면서 냉간 성형에 의해 높은 기계적 강도 수준을 얻을 수 있다.
금속부재의 냉간 변형의 이런 기술 분야에서 해결하기 어려운 주요 난점 중 하나는 성형 이전에, 아주 장황하고 고비용의 연속 작업을 일반적으로 수반하는 표면 예비 처리를 실행할 필요가 있으므로, 때때로 실행하기가 비교적 곤란하고, 그 효과도 완전히 만족스러울 정도는 아니라는 것이다.
예컨대 압출 성형과 관련된 처리, 즉 표면 처리의 품질은 성형 작업 후에 얻어진 양호한 결과를 결정한다. 성형 이전에 이들 표면 처리의 주 목적은, 물론, 금형(tooling)에 작용하는 마찰력을 가능한 감소시키는 데에 있다.
정확하게는, 이것은 이런 압출 성형 기술의 개발에 주요한 장애로서 이런 형태의 냉간 성형 작업에 수반하는 힘이다.
따라서, 가능한 가공부재의 늘어 붙힘(seizure)을 방지하기 위해 마찰력을 감소시킬 수 있고, 압출에 필요한 하중을 감소하고 금형의 마모를 최소화하는 것이 필수적이다.
주로 슬러그 또는 예비 성형의 윤활에 기초한 이들 예비처리 작업은, 가공부재를 어닐링 작업을 수행하는지 여부에 관계 없이, 두 가지 연속적인 변형 처리 작업 사이에 실행할 필요가 있다.
탄소강 또는 저합금강의 경우에는, 금속 자체 파괴를 제한하기 위해 예비처리에서 먼저 억제제가 존재하는 상태에서 황산에서의 산세척(pickling)과 알카리성 세정(alkaline cleaning)을 포함하고, 이후에 인산화(phosphatizing)와 최종적으로 실제 윤활이 행해진다.
인산화 작업의 목적은, 우선, 윤활제를 수용하는 인산아연의 다공성 접착층을 형성하는 데에 있다. 이 윤활제는 일반적으로 인산 아연 층과 반응하는 비누의 반응에서 발생하는 스테아르산 아연(zinc stearate)으로 이루어지지만, 윤활제의 침적을 실제로 제어하기가 어렵다. 이는 변형 대상 부재가 받는 기계적 응력에 따라 스테아르산 아연 두께를 적절하게 조절할 필요가 있기 때문이다. 적절한 조절에는, 적용 층의 두께 범위 내의 소정 깊이에 전개하는 화학 반응의 제어를 포함하고, 또한 연관된 반응 시간이 오래 걸리기 때문에, 더욱 어렵다.
결과적으로, 윤활처리작업에서는, 일반적으로 반응성 비누의 고온탕(hot bath)에 미리 인산화 처리된 재료를 침적시키는 것이 필요하다.
그러나, 이 인산아연층과 스테아르산아연층 사이의 결합은, 금속부재와 금형 사이의 임의의 접촉을 피하기에 불충분할 수 있다.
스테아르산아연층이 만족스럽지 못하면, 작업부재를 침적하거나 분사함에 의해 추가의 침적 작업을 필요로 하는 다른 정교한 윤활제품을 작업부재 뿐만 아니라 금형에 사용하여야 한다. 이런 작업은 공교롭게도 매우 불규칙한 코팅을 얻기 위해 윤활 용액의 농도와 적용 온도를 항상 모니터할 필요가 있다.
종래 기술에서, 지금까지 변형 대상 작업부재에 대한 윤활 기능을 수행하는 스테아르산아연의 양호한 접착과 형성을 가능하게 하기 위해 사전에 인산화 단계를 수행하는 것이 필수불가결한 것으로 간주되었다. 주로 냉간 프레스 분야에서 다수 적용에 있어서, 작업부재 성형 후, 열처리 실행 이전에, 강에 인의 확산 위험을 피하기 위해 탈인산화하는 것이 필수적이다. 일반적으로 약 850 내지 900 ℃ 의 온도에서 실행되는 이러한 열처리는 필수적이고 실제로 성형된 가공품의 결정구조를 변형시킨다. 이러한 열처리 이전에 탈인산화 작업을 수행할 필요와 관련하여 이러한 종래 기술의 결점은 나사와 볼트 제조시 특히 심각하고, 피로 파괴에 이르는 영구적 응력을 받는 부재의 취화(embrittlement) 문제를 유발하는 것으로 관찰된다.
본 발명의 목적은 특히, 완전한 제거는 아니지만, 상술한 결점을 감소하는 데에 있다. 본 발명의 목적은 특히 냉간변형에 의한 금속부재 성형 방법에 관한 것으로, 제조되는 부재의 자유 표면에 금속성 아연 기재 층을 기계적으로 침적하는 최초 작업에 있어서, 순차적으로 금속의 소성 변형에 의한 상기 부재의 성형을 실행하기 위해서, 이 층이 한 층의 윤활제를 포함하고 및/또는 한 층의 윤활제로 코팅될 수 있다.
이러한 냉간 성형 방법은, 성형 공정 동안 중간 공정의 수를 감소시키며, 성형에 수반하는 마찰력을 저감하는 것에 의해 소성 변형 현상을 대폭적으로 촉진한다.
본 발명에 따른 방법은, 금속 블랭크 또는 슬러그의 인산화 예비처리의 사용과 관련된 모든 결점을 해결할 수 있다. 결국, 이런 금속성 아연 기재 층을 기계적으로 미리 침적하는 것을 포함하는 성형 방법에 의해 제조되는 특정 부재는, 피로 수명을 개선한 작업부재를 얻는 것을 가능하게 한다.
사용된 성형 방법에 따라, 금속 슬러그의 자유 표면에 금속성 아연 기재 단일 층만 금속 슬러그에 침적하는 것으로 충분할 수 있다. 이러한 층은, 아연 또는 일반적인 아연-철 합금으로 이루어지거나, 또는 아연 및 철 입자의 혼합물로 구성되며, 50 내지 250 mg/dm2 의 부가된 금속 양으로 본 발명에 적용될 수 있다. 특별한 적용에 있어서, 그 보다 작은 양의 침적이 만족스러울 것이다.
금속이 비교적 작은 하중에서 소성 변형하는 냉간 변형 작업 동안 이러한 층은 그 자체가 윤활 기능을 충분히 수행할 수 있다.
바람직하게는, 금속성 아연 기재 층은, 순수 아연 또는 아연 기재 합금 중 하나를 포함하는 적어도 하나의 외층을 갖는 스틸 숏(steel shot)의 도움으로 숏블라스팅(shot blasting) 작업에 의해 기계적으로 침적된다.
금속성 아연 기재 층의 기계적 침적은 또한 스틸 코어로 이루어지고 표면에 적어도 하나의 아연 합금 기재 외층 또는 순수 아연의 외층 중 하나를 구비하는 스틸 숏과 숏의 혼합물의 도움으로 숏블라스팅 작업에 의해 실행될 수 있다.
결국, 금속성 아연 기재 층의 이런 기계적 침적은 또한, 철 합금 기재 숏의 도움으로 숏블라스팅으로 얻어질 수도 있고, 이 경우의 숏블라스팅은, 블라스팅의 기계적 효과에 의해 적용되는 아연분말 또는 아연가루의 존재에서 실행된다.
숏 블라스팅 작업을 설명하기 위해 본원 발명에 사용된 "숏(shot)" 또는 "마이크로숏(micorshot)"은 광범위하게 해석될 수 있다. 즉 모든 형태의 형상의 입자 또는 미세입자가 부재의 표면에 블라스팅되는 것을 포함한다.
변형 대상 금속 슬러그 또는 예비 성형체에 제1 층을 형성하기 위해 사용하는 숏 블라스팅 기계는, 예컨대 첨부의 도 1에 개략적으로 도시한 도면에 의해 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 성형 방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도면에서, 기계장치는 예컨대 그 사이에서 피처리작업부재가 운반되는 두 개의 블라스팅 터빈(12)에서 숏 블라스팅 챔버(10)를 기본적으로 구비하고 있다. 따라서, 블라스팅 터빈(12)은 철 합금 또는 아연 기반 합금으로 이루어진 마이크로숏을 아연 분말 또는 아연가루 상태에서 적절히 처리되는 작업부재 표면에 블라스팅(blasting)한다. 이 숏 블라스팅 챔버(10)의 하부에는 블라스팅 숏을 재이용하는 회수장치(14)가 장착되어 있다. 다음에, 이 숏은 직경이 더 작은 숏 입자로 분리하는 입자 크기 분리기(16)로 보내진다. 이와 같이, 특히 블라스팅 작업에 의해 생성된 금속 더스트(18)를 제거한다. 아연 기재 합금에 도포된 숏만을 사용한 경우, 숏 입자 크기 분류후에 아연 기재 합금이 도포된 스틸 숏과, 아연이 고갈된 스틸 숏, 즉 아연 기재 합금 대부분을 잃은 숏 사이를 분류하는 것이 가능한 자기 분리기(20)로 숏이 보내진다. 아연이 고갈된 스틸 숏은 스테이션(22)에서 회수된다. 이 자기 분리기(20) 다음 공정에서, 블라스팅 숏의 아연량을 측정하기 위한 장치(24)가 또한 구비되어 있다.
이 아연량 측정에 따라, 숏블라스팅장치(10)의 블라스팅 터빈(12)으로 공급되는 마이크로숏의 탱크(26)는 공급원(28)에서의 신선한 숏(fresh shot), 즉 아연이 충전되거나 재충전된 숏을 재공급하거나 재공급하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 탱크(26)는 레벨제어장치(30)를 장착하여도 좋다.
따라서, 금속성 아연 기재 층은 이 방법으로, 성형되는 슬러그 또는 블랭크의 표면에 연속 또는 불연속 방식으로, 기계적으로 침적될 수 있다.
이처럼, 아연 및/또는 아연-철 합금, 또는 아연과 철의 혼합물에 의한 층은, 50 내지 250 mg/dm2 으로 금속 슬러그 또는 블랭크의 표면에 침적된다. 이 층은 다수의 아연 및/또는 철 입자의 집합으로 생성되므로, 미세다공성 또는 기포 구조의 형태이기 때문에 사실상 조밀하지 않다. 일부 냉간 성형 작업에 대해, 실제 성형 작업 이전에 이 단일 층은 효과적인 윤활 성능을 가지기에 충분할 수 있다.
더 정교한 형상과 구조의 부재 성형과 관련하여 다른 적용에 대해서도, 금속성 아연 기재의 미리 침적된 층에 윤활제 층을 적용하는 것이 필요하다는 것이 증명되었다. 윤활제는, 기재 층에 잘 스며들도록 액체 형태로 적용되는 것이 바람직하다. 사용된 윤활제의 양에 따라, 금속성 아연 기재에 미리 침적된 층의 포화 종류, 또는 과다 두께의 더 완전한 코팅이 관찰된다. 따라서, 도포된 윤활제의 양은 제조되는 부재의 성질과 정확한 형상에 따라 다양하다. 실제로, 윤활제의 이런 양은 300 mg/dm2 까지 효과적으로 적용될 수 있다는 것이 확인된다.
윤활제의 층은, 분사 또는 침지 중 어느 하나에 의해 액체 형태로 적용되는 것이 바람직하다. 윤활제는 특히 흑연(graphite) 입자 기재에 수용성 현탁액의 형태로 적용될 수 있다. 그러나, 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide) 또는 테플론 형태의 다른 윤활제, 또는 에톡시화 알콜 매질(ethoxylated alchol medium)에 스틸렌 말레산 무수물 공중합체(stylene-maleic acid anhydride copolymer)와 같은 공중합체 수용액을 흑연으로 대체하는 것이 가능하다.
결국, 선택적으로 흑연분말, 질화붕소, 폴리테트라플루오에틸렌, 활석분말, 스테아르산아연 및/또는 이황화몰리브덴이 첨가된 수용성 폴리프로필렌 성분을 이용하는 것이 가능하다.
이들 용액, 현탁액 또는 유액의 점도는 공지된 방법으로 유화제 및/또는 침전제를 필요한 양 만큼 첨가함으로써 간편하게 조정된다. 결국, 이들 윤활 액체에 금속부재의 추가 보호를 제공하는 첨가물을 첨가하는 것이 또한 가능하다.
금속성 아연 기재 층에 적용한 후, 선택적으로 윤활제 층을 적용한 후에, 금속 블랭크는 주로 냉간 단조, 냉간 프레스 또는 와이어 인발 작업의 성형 작업이 행해진다.
실제로, 종래 기술에서 관찰된 마찰과 변형 현상을 상당히 감소시킴으로써, 구동 축과 터빈 축과 같은 부품을 제조하는 것이 가능하다.
비교적 복잡한 형상의 이들 부품은 8000 kN 프레스를 이용하여 냉간 단조에 의해 제조된다.
이들 부품을 제조하는데 사용되는 원통형 블랭크는, 종래 기술에서와 같이 상기 금속 블랭크의 준비 작업을 수행할 필요 없이, 숏블라스팅 작업에 의해 금속성 아연 기재 층을 기계적으로 침적하는 최초 작업이 직접적으로 행해진다.
변형예로서, 본 발명에 따른 방법은 하나의 동일 단계 동안 두 개의 작업, 즉 아연 기재층의 기계적 침적과 윤활제 층의 적용을 선택적으로 조합될 수 있다는 것을 지적한다. 이처럼, 고체 형태 또는 가루 상태로, 예컨대 PTFE 또는 이황화몰리브덴 등과 같은 윤활제와 직접적으로 혼합된 아연분말 또는 아연가루의 상태에서 아연 합금 기재 숏으로 블라스팅함으로써 아연의 기계적 침적을 수행할 수 있다.
종래 인산화 예비처리와 비교해 본 발명의 방법에 의한 장점을 설명하기 위해서, 강 21 B3 의 시편이 G30 텅스텐 카바이드로 제조된 압자(indenter)를 이용하여 국부적 소성 변형을 거치는 비교 마찰 모의 시험의 결과가 하기에 주어져 있다. 이 압축-변환 시험 조건을 이용하여, 냉간 변형에 의한 금속 부재의 성형을 나타내는 대표적인 두 개의 종래 작업인 압출과 와이어 인발을 시현하였다.
이 시험에 대한 정확한 실험 조건은, 예컨대 다음의 명칭의 작업에 기술되어 있다. "Vortragstexte des Symposiums, Neuere Entwicklungen in der Massivumbormung in Fellbach bei Stuttgart, am 19. und 20. May 1999, unter der Leitung von Prof. Dr. -Ing. Dr. h.c. Klaus Siegert, Institut fur Umformtechnik der Universitat Stuttgart, in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft fur Materialkunde e.V., 1999 by MAT-INFO Werkstoff-Informationsgesellschaft mbH Hamburger Allee 26, D-60486 Frankfurt [Lectures from Symposia: Latest Developments in Forming, Fellbach, near Stuttgart, on 19-20 May 1999, run by Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Siegert, Institute for Forming Technology of Stuttgart University, in cooperation with the German Society for Materials. e.V., 1999 by MAT-INFO Materials-Information Society mbH, Hamburger Allee 26, D-60484 Frankfurt].
마찰계수(μ ** )에 관한 비교 시험
인산화처리 + 반응성 비누를, 아연의 기계적 침적 + 수용성 흑연 현탁액 형태의 윤활제와 비교한다.
5 내지 35 mm 의 마찰 길이에 대해 계산된 평균 마찰 계수 와이어 인발 : CSR*=14.7%, 소성변형율 0.18, 접촉압력= 800 MPa 와이어 인발 + 전진압출 : CSR*=14.7%, 소성변형율 0.18, 접촉압력= 800 MPa; CSR*=31%, 소성변형율 0.80, 접촉압력= 1380 MPa
인산화처리 + 반응성 비누 μ= 0.062 μ= 0.10
아연의 기계적 침적 + 수용성 흑연 현탁액 형태의 윤활제 μ= 0.054 μ= 0.085
마찰계수(μ ** )에 관한 비교 시험
인산화처리 + 반응성비누 + 압출 동안 프레스 오일을, 아연의 기계적 침적 + 수용성 흑연 현탁액 형태의 윤활제 + 압출 동안 프레스 오일과 비교한다.
오일은 ISO 6743/7 규격의 사양을 맞춘 MHE 68 오일이 사용되었다.
5 내지 35 mm 의 마찰 길이에 대해 계산된 평균 마찰 계수 와이어 인발 + 전진압출 : CSR*=14.7%, 소성변형율 0.18, 접촉압력= 800 MPa; CSR*=31%, 소성변형율 0.80, 접촉압력= 1380 MPa
인산화 처리 + 반응성 비누 + 압출 동안 프레스 오일 μ= 0.12
아연의 기계적 침적 + 수용성 흑연 현탁액 형태의 윤활제 + 압출 동안 프레스 오일 μ= 0.082
* CSR = 단면감소율
CSR = 100 (di2-df2)/di2
여기서, di = 초기 직경, df = 최종 직경이다.
** μ는 마찰계수로서, 법선방향으로 압자에 의해 작용하는 압축력(Fn)에 대한 압자의 변위에 접선방향으로 놓이는 병환력(Ft)의 비를 나타낸다.
본 발명에 따른 방법의 변형예는 기계적 아연 도포층의 무게에 대한 변형을 기초로 이루어진다. 이들 변형은 0 mg/dm2 과 200 mg/dm2 사이에 이루어진다.
간단한 와이어 인발 작업에 대해, 50 mg/dm2 의 아연층 무게가 실제로 충분하다는 연구 결과가 보고되었다.
한편, 전방 압출에 후속하는 와이어 인발의 순차적 작업에 대해, 50 mg/dm2 과 100 mg/dm2 사이의 층 무게(layer weight)가 본 발명에 따른 방법에 최적화를 나타낸다.

Claims (12)

  1. i) 제조되는 작업부재의 블랭크의 자유 표면에 금속성 아연 기재 층을 기계적으로 침적하는 단계, 및
    ⅱ) 상기 작업부재를 소성 변형에 의해 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    성형 작업 이전에, 미리 도포된 상기 금속성 아연 기재 층에, 윤활제 층을 추가로 도포하는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속성 아연 기재 층은, 아연 기재 합금을 포함하는 적어도 하나의 외층을 갖는 숏(shot)으로 블라스팅 하는 것에 의해 기계적으로 침적되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속성 아연 기재 층은, 철 기재 합금으로 이루어지는 숏과 아연 기재 합금을 포함하는 적어도 하나의 외층을 갖는 숏의 혼합물을 이용하여, 블라스팅 하는 것에 의해 기계적으로 침적되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속성 아연 기재 층은, 아연 분말의 존재 하에서 철 합금 기재의 숏으로 블라스팅 하는 것에 의해 기계적으로 침적되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 윤활제 층은, 액체 형태로, 특히 흑연 입자 기재의 액체 현탁액을 이용하여 도포되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 윤활제 층은, 고체 형태, 특히 이황화몰리브덴 또는 테플론의 형태로 도포되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    금속성 아연 기재 층을 형성하는 기계적으로 침적된 코팅은, 아연입자, 아연입자와 철입자의 혼합물, 또는 아연-철 합금의 입자가, 바람직하게 50 내지 250 mg/dm2 의 양으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도포된 윤활제의 층은 300 mg/dm2 의 양인 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉간 변형은 냉간 프레스(cold press) 작업에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉간 변형은 냉간 단조 작업 또는 금속 압출 작업에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉간 변형 작업은 와이어 인발 작업에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 변형에 의한 금속 부재 성형 방법.
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