KR102383618B1 - 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법 - Google Patents

용융아연도금된 강 시트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

용융아연도금된 강 시트의 제조 방법
본 발명은 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 자동차의 제조에 특히 적합하다.
아연 기반 코팅은 배리어 보호 및 음극 보호 덕분에 부식을 방지할 수 있기 때문에 일반적으로 사용된다. 배리어 효과는 강 표면에 금속 코팅을 적용하여 획득된다. 따라서, 금속 코팅은 강과 부식성 분위기 사이의 접촉을 방지한다. 배리어 효과는 코팅 및 기재의 성질과는 무관하다. 반대로, 희생 음극 보호는 아연이 강보다 덜 귀한 금속이라는 사실에 근거한다. 따라서, 부식이 일어나면, 아연은 강에 비해 우선적으로 소비된다. 음극 보호는, 주위 아연이 강 전에 소비되는 절삭 엣지처럼, 강이 부식성 분위기에 직접 노출되는 영역에서 필수적이다.
하지만, 이러한 아연 코팅된 강 시트에 가열 단계, 예를 들어 핫 프레스 경화 또는 용접이 수행될 때에, 강/코팅 계면으로부터 확산된 크랙이 강에서 관찰된다. 실제로, 때때로, 전술한 작업 후 코팅된 강 시트에 크랙이 존재하기 때문에 금속의 기계적 특성이 감소된다. 이러한 크랙은 하기 조건에서 나타난다: 고온; 인장 응력의 존재에 더해 (아연과 같이) 낮은 융점을 갖는 액체 금속과의 접촉; 기재 그레인 및 그레인 경계를 갖는 용융 금속의 불균일한 확산. 이러한 현상의 명칭은 액체 금속 취화 (Liquid Metal Embrittlement: LME) 로서 알려져 있으며, 또한 액체 금속 보조 크랙킹 (Liquid Metal Assisted Cracking: LMAC) 으로도 불린다.
가끔, 아연 코팅된 강 시트는 용융아연도금된 강 시트를 얻기 위하여 고온에서 합금화된다. 순수 아연과 비교하여 스폿 용접 동안 더 적은 액체를 형성하고 또한 더 높은 융점을 가지는 Fe 및 Zn 을 포함하는 합금이 형성되기 때문에, 이러한 강 시트는 아연 코팅된 강 시트보다 LME 에 대한 저항이 더 크다.
그러나, 용융아연도금된 강 시트가 LME 에 대한 저항이 더 클지라도, 가열 단계가 수행될 때, LME 에 대한 저항이 충분하지 않기 때문에, 약간의 크랙들이 나타날 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 LME 문제를 가지지 않는 용융아연도금된 강 시트를 제공하는 것이다. 본 발명은 성형 및/또는 용접 후에 LME 문제를 가지지 않는 어셈블리를 얻기 위해 유용한, 특히 구현하기 쉬운 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.
이러한 목적은 청구항 1 에 따른 방법을 제공함으로써 달성된다. 이 방법은 또한 청구항 2 내지 청구항 18 의 임의의 특징들을 포함할 수 있다.
다른 목적은 제 19 항에 따른 강 시트를 제공함으로써 달성된다. 이러한 강 시트는 청구항 20 내지 청구항 26 의 임의의 특징들을 또한 포함할 수 있다.
다른 목적은 청구항 27 에 따른 스폿 용접된 조인트를 제공함으로써 달성된다. 스폿 용접된 조인트는 또한 청구항 30 에 따른 특징들을 포함할 수 있다.
마지막으로, 또 다른 목적은 제 31 항에 따른 강 시트 또는 조립체의 사용을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
"강" 또는 "강 시트" 라는 명칭은 부품이 2500 MPa 이하, 보다 바람직하게는 2000 MPa 이하의 인장 강도를 달성하게 하는 조성을 갖는 강 시트, 코일, 플레이트를 의미한다. 예를 들어, 인장 강도는 500 MPa 이상, 바람직하게는 980 MPa 이상, 유리하게는 1180 MPa 이상, 심지어 1470 MPa 이상이다.
본 발명은
A. 철 및 니켈을 포함하는 제 1 코팅으로 코팅된 예비 코팅된 강 시트의 제공 단계로서, 상기 강 시트는 중량% 로
0.10 < C < 0.40%,
1.5 < Mn < 3.0%,
0.7 < Si < 2.0%,
0.05 < Al < 1.0%
0.75 < (Si+Al) < 3.0 %, 및 순전히 선택적인 기준에 따라, 다음과 같은 하나 이상의 원소들
Nb ≤ 0.5 %,
B ≤ 0.005%,
Cr ≤ 1.0%,
Mo ≤ 0.50%,
Ni ≤ 1.0%,
Ti ≤ 0.5%,
철 및 정교화 (elaboration) 로부터 유래하는 불가피한 불순물로 구성되는 잔부의 화학 조성을 갖는, 상기 예비 코팅된 강 시트의 제공 단계,
B. 600 ~ 1000 ℃ 의 온도에서 상기 예비 코팅된 강 시트의 열 처리 단계,
C. 아연 기반의 제 2 코팅으로 단계 B) 에서 얻어진 강 시트를 용융 도금 코팅 (hot-dip coating) 하는 단계, 및
D. 합금화 처리하여 용융아연도금된 강 시트를 형성하는 단계를 포함하는 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법에 관한 것이다.
어떠한 이론에도 구속됨 없이, 열 처리 동안, 한편으로는, Ni 가 강 시트를 향해 확산되어 Fe-Ni 합금층을 허용하는 것으로 보인다. 다른 한편으로, 강과 코팅 사이의 계면에는 일정량의 Ni 가 여전히 존재하고, 이는 예를 들어 용접인 임의의 가열 단계들 동안 강으로의 액체 아연의 침투를 방지한다. 더욱이, 제 1 코팅 내 철의 존재는 단계 D) 동안 Fe-Zn 합금의 형성을 허용한다.
철 및 니켈을 포함하는 제 1 코팅은 당업자에게 공지된 임의의 증착 방법에 의해 증착된다. 이는 진공 증착 또는 전기 도금법에 의해 증착될 수 있다. 바람직하게는, 이는 전기 도금법에 의해 증착된다.
바람직하게는, 단계 A) 에서, 제 1 코팅은 10 ~ 75 중량%, 더 바람직하게는 25 ~ 65 중량%, 유리하게는 40 ~ 60 중량% 의 철을 포함한다.
바람직하게는, 단계 A) 에서, 제 1 코팅은 25.0 ~ 90 중량%, 바람직하게는 35 ~ 75 중량%, 유리하게는 40 내지 60 중량% 의 니켈을 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 단계 A) 에서, 제 1 코팅은 철 및 니켈로 이루어진다.
바람직하게는, 단계 A) 에서, 제 1 코팅은 0.5 ㎛ 이상의 두께를 갖는다. 더 바람직하게는, 제 1 코팅은 0.8 ~ 5.0 ㎛ 및 유리하게는 1.0 ~ 2.0 ㎛ 의 두께를 갖는다.
바람직하게는, 단계 B) 에서, 열 처리는 연속 어닐링이다. 예를 들어, 연속 어닐링은 가열, 소킹 (soaking) 및 냉각 단계를 포함한다. 이는 예열 단계를 추가로 포함할 수 있다.
유리하게는, 열 처리는 -10 내지 -60 ℃ 의 이슬점에서 1 내지 30 % 의 H2 를 포함하는 분위기에서 수행된다. 예를 들어, 분위기는 -40 ~ -60 ℃ 의 이슬점에서 1 ~ 10 % 의 H2 를 포함하거나, -30 내지 -60 ℃ 의 이슬점에서 1 내지 10 % 의 H2 를 포함한다.
유리하게는, 단계 C) 에서, 제 2 층은 70% 초과, 보다 바람직하게는 80% 초과의 아연 및 유리하게는 85% 초과의 아연을 포함한다.
예를 들어, 아연 기반 코팅은 0.01 내지 0.18 wt.% 의 Al, 선택적으로 0.2 내지 8.0 % 의 Mg 를 포함하고, 잔부는 Zn 이다.
바람직하게는, 아연 기반 코팅은 용융 아연 도금 방법에 의해 증착된다. 이 실시형태에서, 용융 욕은 또한 공급 잉곳으로부터 또는 용융 욕 내의 강 시트의 통과로부터 잔류 원소 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택적으로 불순물은 Sr, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Zr 또는 Bi 로부터 선택되며, 각각의 추가적인 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 보다 낮다. 공급 잉곳으로부터의 또는 용융 욕 내의 강 시트의 통과로부터의 잔류 원소들은 함량이 최대 5.0 중량%, 바람직하게는 3.0 중량% 인 철일 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 제 2 층은 아연으로 구성된다. 이러한 경우에, 코팅이 용융 아연 도금에 의해 증착될 때, 알루미늄의 백분율은 욕에서 0.10 내지 0.18 중량% 로 포함된다.
바람직하게는, 단계 D) 에서, 합금화 처리는 단계 C) 에서 얻어진 코팅된 강 시트를 5 내지 40 초 동안 460 내지 550 ℃ 의 온도에서 가열함으로써 수행된다. 예를 들어, 단계 D 는 500℃ 에서 20 초 동안 수행된다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 철 및 니켈을 포함하는 제 1 층으로 용융아연도금된 강 시트가 얻어지고, 상기 제 1 층은 아연 기반의 제 2 층에 의해 직접 덮이고, 제 1 층 및 제 2 층은 확산을 통해 합금화되어 제 2 합금층을 형성하고, 제 2 합금층은 5 ~ 15 wt.% 의 철, 0 ~ 15 wt.%, 바람직하게는 1 ~ 15 wt.% 의 니켈을 포함하고, 잔부는 아연이다.
바람직하게는, 강 시트는 1 내지 50 % 의 잔류 오스테나이트, 1 내지 60 % 의 마텐자이트 및 임의로 베이나이트, 페라이트, 시멘타이트 및 펄라이트로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 미세조직을 갖는다. 이러한 경우에, 마텐자이트는 템퍼링되거나 템퍼링되지 않을 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 강 시트는 5 내지 25 % 의 잔류 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.
바람직하게는, 강 시트는 1 내지 60 %, 더욱 바람직하게는 10 내지 60 % 의 템퍼링된 마텐자이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.
유리하게는, 강 시트는 10 내지 40 % 의 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 이러한 베이나이트는 10 내지 20 % 의 하부 베이나이트, 0 내지 15 % 의 상부 베이나이트 및 0 내지 5 % 의 탄화물 무함유 베이나이트를 포함한다.
바람직하게는, 강 시트는 1 내지 25 % 의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.
바람직하게는, 강 시트는 1 내지 15 % 의 템퍼링되지 않은 마텐자이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.
강 시트의 제조 후, 차량의 일부 부품들을 제조하기 위해, 두 개의 금속 시트들을 용접함으로써 조립하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 스폿 용접된 조인트는 적어도 두 개의 금속 시트들의 용접 동안 형성되고, 상기 스폿은 적어도 두 개의 금속 시트들 사이의 링크이다.
본 발명에 따른 스폿 용접된 조인트를 생성하기 위해, 용접은 다음과 같이 수행된다: 유효 강도는 3 kA 내지 15 kA 이고, 전극에 가해지는 힘은 150 내지 850 daN 이고, 전극 활성면 직경은 4 내지 10 mm 이다.
따라서, 본 발명에 따른 코팅된 강 시트를 포함하는 적어도 2 개의 금속 시트들의 스폿 용접된 조인트가 얻어지며, 이러한 상기 조인트는 100 ㎛ 초과의 크기를 갖는 3 개 미만의 크랙들을 포함하고, 가장 긴 크랙은 400 ㎛ 미만의 길이를 갖는다.
바람직하게는, 제 2 금속 시트는 강 시트 또는 알루미늄 시트이다. 보다 바람직하게는, 제 2 금속 시트는 본 발명에 따른 강 시트이다.
다른 실시형태에서, 스폿 용접된 조인트는 강 시트 또는 알루미늄 시트인 제 3 금속 시트를 포함한다. 예를 들어, 제 3 금속 시트는 본 발명에 따른 강 시트이다.
본 발명에 따른 강 시트 또는 스폿 용접된 조인트는 자동차용 부품들의 제조에 사용될 수 있다.
본 발명은 이제 정보만을 위해 수행된 시험들에서 설명될 것이다. 이들은 제한되지 않는다.
실시예
모든 샘플들에 대해, 사용된 강 시트는 중량% 로 다음의 조성을 갖는다: C = 0.37 wt.%, Mn = 1.9 wt.%, Si = 1.9 wt.%, Cr = 0.35 wt.%, Al = 0.05 wt.% 및 Mo = 0.1%.
시험 1 내지 시험 4 는 55 % 및 75 % 의 니켈을 포함하고 잔부는 Fe 인 제 1 코팅을 증착시킴으로써 준비되었다. 그런 다음, 연속 어닐링이 -45 ℃ 의 이슬점에서 5 % 의 H2 및 95 % 의 N2 을 포함하는 분위기에서 수행되었다. 예비코팅된 강 시트는 900 ℃ 의 온도에서 가열되었다. 아연 코팅은 용융 아연 도금에 의해 증착되었고, 아연 욕은 0.2 % 의 Al 을 포함한다. 욕 온도는 460 ℃ 였다. 마지막으로, 합금화 처리는 용융아연도금된 강 시트를 얻기 위하여 20 초 동안 500 ℃ 에서 수행되었다.
비교 목적을 위해, 시험 5 는 상기 강 시트의 연속 어닐링 후에 전기 아연 도금에 의해 아연 코팅을 증착시킴으로써 준비되었다.
시험 1 내지 시험 5 의 LME 에 대한 저항이 평가되었다. 이를 위해, 각각의 시험에 대해, 2 개의 코팅된 강 시트들이 저항 스폿 용접에 의해 함께 용접되었다. 전극의 유형은 직경이 16 mm 인 ISO 유형 B 이었고; 전극의 힘은 5 kN 이었고, 또한 물의 유량은 1.5 g/min 이었다. 용접 사이클은 표 1 에 보고되어 있다.
Figure 112020039740223-pct00001
그런 다음, 표 2 에 보고된 바와 같이 광학 현미경뿐만 아니라 SEM (주사 전자 현미경; Scanning Electron Microscopy) 을 사용하여 100 ㎛ 초과의 크랙들의 수가 평가되었다.
Figure 112020039740223-pct00002
본 발명에 따른 시험들은 시험 5 와 비교하여 LME 에 대한 우수한 저항성을 나타낸다. 실제로, 본 발명에 따른 시험들의 크랙들의 수는 시험 5 와 비교하여 매우 낮고, 심지어 존재하지 않는다.
각각의 시험에 대해, 세 개의 코팅된 강 시트들이 3 층 적층 구성 하에서 저항 스폿 용접에 의해 함께 또한 용접되었다. 그런 다음, 표 3 에 보고된 바와 같이 광학 현미경뿐만 아니라 SEM (주사 전자 현미경) 을 사용하여 100 ㎛ 초과의 크랙들의 수가 평가되었다.
Figure 112020039740223-pct00003
본 발명에 따른 시험들은 시험 5 와 비교하여 LME 에 대한 우수한 저항성을 나타낸다.
마지막으로, 시험 1 내지 시험 4 는 90°의 각도로 구부러졌다. 그런 다음, 접착 테이프가 도포 및 제거되어, 기재 강과의 코팅 접착성을 검증하였다. 이러한 시험들의 코팅 접착성은 우수했다.

Claims (32)

  1. 용융아연도금된 (galvannealed) 강 시트의 제조 방법으로서,
    A. 철 및 니켈로 이루어지는 제 1 코팅으로 코팅된 예비 코팅된 강 시트의 제공 단계로서,
    상기 제 1 코팅은 10 중량% ~ 75 중량% 의 철을 포함하며,
    상기 강 시트는 중량% 로
    0.10 < C < 0.40%,
    1.5 < Mn < 3.0%,
    0.7 < Si < 2.0%,
    0.05 < Al < 1.0%,
    0.75 < (Si+Al) < 3.0 %, 및 순전히 선택적인 기준에 따라, 다음과 같은 하나 이상의 원소들
    Nb ≤0.5 %,
    B ≤ 0.005%,
    Cr ≤ 1.0%,
    Mo ≤0.50%,
    Ni ≤1.0%,
    Ti ≤ 0.5%,
    철 및 정교화 (elaboration) 로부터 유래하는 불가피한 불순물로 구성되는 잔부의 화학 조성을 갖는, 상기 예비 코팅된 강 시트의 제공 단계,
    B. 600 ~ 1000 ℃ 의 온도에서 상기 예비 코팅된 강 시트의 열 처리 단계,
    C. 아연으로 이루어지는 제 2 코팅으로 단계 B) 에서 얻어진 강 시트를 용융 도금 코팅 (hot-dip coating) 하는 단계, 및
    D. 합금화 처리하여 용융아연도금된 강 시트를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 강 시트는 상기 제 1 코팅으로 코팅되고, 상기 제 1 코팅은 상기 제 2 코팅에 의해 직접 덮이고, 상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 확산을 통해 합금화 되어 제 2 합금층을 형성하고, 상기 제 2　합금층은 5 ~ 15 wt.% 의 철, 1 ~ 15 wt.% 의 니켈을 포함하고, 잔부가 아연인 조성을 가지며,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 1.0 ~ 2.0 ㎛ 의 두께를 가지는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 25.0 중량% ~ 65.0 중량% 의 철을 포함하는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 40 중량% ~ 60 중량% 의 철을 포함하는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 25 중량% ~ 90 중량% 의 니켈을 포함하는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 35 중량% ~ 75 중량% 의 니켈을 포함하는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    단계 A) 에서, 상기 제 1 코팅은 40 중량% ~ 60 중량% 의 니켈을 포함하는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    단계 B) 에서, 상기 열 처리는 연속 어닐링인, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    단계 B) 에서, 상기 열 처리는 -30 내지 -60 ℃ 의 이슬점에서 1 내지 10 % 의 H2 를 포함하는 분위기에서 수행되는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    단계 D) 에서, 상기 합금화 처리는 단계 C) 에서 얻어진 코팅된 강 시트를 460 ~ 550 ℃ 의 온도에서 가열함으로써 수행되는, 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법.
  19. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법으로부터 얻어질 수 있는 용융아연도금된 강 시트로서,
    상기 강 시트는 철 및 니켈로 이루어지는 제 1 층으로 코팅되고, 상기 제 1 층은 10 중량% ~ 75 중량% 의 철을 포함하며, 상기 제 1 층은 아연으로 이루어지는 제 2 층에 의해 직접 덮이고, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 확산을 통해 합금화 되어 제 2 합금층을 형성하고, 상기 제 2 합금층은 5 내지 15 wt.% 의 철, 1 ~ 15 wt.% 의 니켈을 포함하고 잔부가 아연인 조성을 가지는, 용융아연도금된 강 시트.
  20. 제 19 항에 있어서,
    강 미세조직은 1 ~ 50 % 의 잔류 오스테나이트, 1 ~ 60 % 의 마텐자이트, 및 선택적으로 베이나이트, 페라이트, 시멘타이트 및 펄라이트로부터 선택된 적어도 하나의 미세조직을 포함하는 , 용융아연도금된 강 시트.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 미세조직은 5 ~ 25 % 의 잔류 오스테나이트를 포함하는, 용융아연도금된 강 시트.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 미세조직은 1 ~ 60 % 의 템퍼링된 마텐자이트를 포함하는, 용융아연도금된 강 시트.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 미세조직은 10 ~ 40 % 의 베이나이트를 포함하는, 용융아연도금된 강 시트.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 미세조직은 1 ~ 25% 의 페라이트를 포함하는, 용융아연도금된 강 시트.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 미세조직은 1 ~ 15 % 의 템퍼링되지 않은 마텐자이트를 포함하는, 용융아연도금된 강 시트.
  26. 적어도 제 19 항에 따른 강 시트를 포함하는 적어도 두 개의 금속 시트들의 스폿 용접된 조인트로서,
    상기 조인트는 100 ㎛ 초과 400 ㎛ 미만의 크기를 가지는 3 개 미만의 크랙들을 포함하는, 스폿 용접된 조인트.
  27. 적어도 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 용융아연도금된 강 시트의 제조 방법으로부터 얻을 수 있는 강 시트를 포함하는 적어도 두 개의 금속 시트들의 스폿 용접된 조인트로서,
    상기 강 시트는 상기 제 1 코팅으로 코팅되고, 상기 제 1 코팅은 상기 제 2 코팅에 의해 직접 덮이고, 상기 제 1 코팅 및 제 2 코팅은 확산을 통해 합금화 되어 제 2 합금층을 형성하고, 상기 제 2　합금층은 5 ~ 15 wt.% 의 철, 1 ~ 15 wt.% 의 니켈을 포함하고, 잔부가 아연인 조성을 가지며,
    상기 조인트는 100 ㎛ 초과 400 ㎛ 미만의 크기를 가지는 3 개 미만의 크랙들을 포함하는, 스폿 용접된 조인트.
  28. 제 26 항에 있어서,
    제 2 금속 시트는 강 시트이거나 알루미늄 시트인, 스폿 용접된 조인트.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 시트는 상기 강 시트인, 스폿 용접된 조인트.
  30. 제 26 항에 있어서,
    강 시트 또는 알루미늄 시트인 제 3 금속 시트를 포함하는, 스폿 용접된 조인트.
  31. 제 19 항에 있어서,
    상기 강 시트 자동차의 제조를 위해 사용되는, 용융아연도금된 강 시트.
  32. 제 26 항에 있어서,
    상기 조인트는 자동차의 제조를 위해 사용되는, 스폿 용접된 조인트.
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