KR20200080606A - Manufacturing Method of Glow Plug of Silicon Nitride for Diesel Vehicles - Google Patents

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KR20200080606A
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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a silicon nitride glow plug for a diesel automobile having excellent durability. More specifically, the manufacturing method of a silicon nitride glow plug for a diesel automobile comprises: a step of preparing silicon nitride powder; a step of burying and forming a coiled heating element in the silicon nitride powder, and then pressing and sintering the silicon nitride powder in which the heating element is buried to manufacture a glow plug sintering body; a step of processing the glow plug sintering body into a bar shape; and a step of forming an electrode on the glow plug sintering body processed into the bar shape. The silicon nitride powder consists of mixed powder comprising 70-90 wt% of α-Si_3N_4 and 10-30 wt% of β-Si_3N_4. A sintering aid comprising 1.0-3.0 wt% of MgO, 1.0-3.0 wt% of Al_2O_3, 1.0-6.0 wt% of Y_2O_3, and 1.0-3.0 wt% of Ti with respect to the total weight of the mixed powder is further included.

Description

디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법{Manufacturing Method of Glow Plug of Silicon Nitride for Diesel Vehicles}Manufacturing Method of Glow Plug of Silicon Nitride for Diesel Vehicles

본 발명은 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 디젤자동차의 내진동, 고온 기계적 특성(열충격성, 굽힘강도, 비커스경도, 파괴인성 등)이 우수하여 친환경 디젤자동차의 예열점화원, DPF(매연저감장치)의 점화원으로 사용되는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, and more specifically, it is excellent in vibration resistance and high temperature mechanical properties (thermal shock resistance, bending strength, Vickers hardness, fracture toughness, etc.) of a diesel vehicle, thereby preheating the eco-friendly diesel vehicle. It relates to a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle used as an ignition source, an ignition source for a DPF (Smoke Reduction Device).

일반적으로 질화규소 글로우 플러그 및 이그나이터 제품은 디젤자동차 엔진 예열용으로 현재 4개가 장착되고 있으며, 종래의 시즈타입 글로우플러그는 승온속도가 느리고, 승온온도도 800℃ 정도로 낮은 문제로 엔진의 예열 시간이 길고 예열온도가 낮기 때문에 엔진효율이 낮아 공해물질(PM)이 다량 배출되어 디젤엔진의 공해배출 저감에 큰 장애로 대두되고 있다.In general, four silicon nitride glow plugs and igniter products are currently installed for preheating diesel engines, and conventional sheath type glow plugs have a low temperature rise rate and a low temperature rise temperature of about 800°C. Due to the low temperature, the engine efficiency is low, and a large amount of pollutants (PM) are discharged, which has emerged as a major obstacle to reducing the emission of diesel engines.

이러한 디젤 자동차의 배출오염원에 의한 대기오염으로 공기중의 미세먼지의 주요인으로 대두되고 있으며, 자동차 메이커에서 배출오염원을 저감하는 친환경엔진을 개발 상용화 하고 있다.Air pollution caused by these diesel vehicles has become a major cause of fine dust in the air, and automobile manufacturers have developed and commercialized eco-friendly engines that reduce emissions.

이러한 친환경 디젤엔진의 개발에는 4개/set의 세라믹 글로우 플러그가 장착되어 엔진의 예열온도를 높이고, 승온속도를 높이므로서 배출오염원을 낮추는 기술개발이 상용화되고 있어 수요가 크게 증가하고 있는 실정이다. The development of this eco-friendly diesel engine is equipped with a ceramic glow plug of 4/set, which increases the preheating temperature of the engine and increases the heating rate, thereby reducing the source of emission pollutants.

한편, 종래의 기술은 질화규소 배치조성, 글로우블러그 조립 구조, 내부 발열체 저항패턴, 조성, 소결조건등이 Kyo Cera Co., Ltd JP 1999-218125, JP1999-218126, NGK Co. JP 1998-369735, JP 1998-179572, NGK Spark Plug Co., Ltd US-07/357786에서 기재되어 있다.On the other hand, the conventional technologies include silicon nitride batch composition, glow blog assembly structure, internal heating element resistance pattern, composition, sintering conditions, etc. Kyo Cera Co., Ltd JP 1999-218125, JP1999-218126, NGK Co. JP 1998-369735, JP 1998-179572, NGK Spark Plug Co., Ltd US-07/357786.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저 저항 발열체 구현이 용이하고 발열체의 저항 및 발열범위의 구조를 간편하게 제작할 수 있으며, 저항 코일은 텅스텐 직경을 자유자재로 조절이 가능하여 DC 650V 4KW/ea 고용량 설계도 가능한 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems. First, a resistance heating element can be easily implemented, and the structure of the resistance and heating range of the heating element can be easily produced, and the resistance coil can freely adjust the tungsten diameter to DC 650V. The objective is to provide a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for diesel vehicles capable of designing a high capacity of 4KW/ea.

또한, 내구성 면에서 우수한 특성을 나타내고 있으며, 저항코일 형성은 Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C으로 다양한 저항과 질화규소 Volume에 따른 팽창계수가 매칭 되도록 설계 시 대면적 대용량의 질화규소 히터로도 제조 가능한 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법의 제공을 다른 목적으로 한다.In addition, it shows excellent characteristics in terms of durability, and the formation of a resistance coil is a Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C, which can be manufactured as a large area large capacity silicon nitride heater when designed to match various resistances and expansion coefficients according to silicon nitride volume. Another object is to provide a method for manufacturing a silicon nitride glow plug.

아울러, 글로우 플러그와 같은 직경이 작고 열상범위가 작은 고밀도 발열체를 보다 경제적이고 대량 생산할 수 있는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법 제공을 또 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, which can more efficiently and mass-produce a high-density heating element having a smaller diameter and a smaller thermal range, such as a glow plug.

한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 상술한 목적들을 달성하기 위하여 질화규소 분말을 준비하는 단계, 상기 질화규소 분말에 코일링된 발열체를 매립하고 성형한 후, 상기 발열체가 매립된 상기 질화규소 분말을 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계, 상기 글로우 플러그 소결체를 봉상으로 가공하는 단계 및 봉상으로 가공된 상기 글로우 플러그 소결체에 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention is a step of preparing a silicon nitride powder to achieve the above-mentioned objects, after embedding and molding a heating element coiled in the silicon nitride powder, and then pressurizing and sintering the silicon nitride powder embedded with the heating element to produce a glow plug sintered body. A step, a step of processing the glow plug sintered body into a rod shape and a step of forming an electrode in the glow plug sintered body processed into a rod shape may be included.

바람직하게는 상기 질화규소 분말은 α-Si3N4 70~90wt% 및 β-Si3N4 10~30wt%의 혼합분말로 이루어지며, 상기 혼합분말의 전체중량대비 MgO 1.0~3.0wt%, Al2O3 1.0~3.0wt%, Y2O3 1.0∼6.0wt% 및 Ti 0.1~3.0wt%의 소결조제가 더 포함될 수 있다.Preferably, the silicon nitride powder is composed of a mixed powder of α-Si 3 N 4 70-90 wt% and β-Si 3 N 4 10-30 wt%, MgO 1.0-3.0 wt%, Al compared to the total weight of the mixed powder 2 O 3 1.0 ~ 3.0wt%, Y 2 O 3 sintering aid of 1.0~6.0wt% and Ti 0.1 ~ 3.0wt% is may be further included.

바람직하게는 상기 발열체는 직경이 120㎛인 텅스텐 와이어를 0.29~1.0㎜의 직경을 갖도록 코일링하여 저항값이 0.4~1.6Ω이 되도록할 수 있다.Preferably, the heating element may coil the tungsten wire having a diameter of 120 µm to have a diameter of 0.29 to 1.0 mm so that the resistance value is 0.4 to 1.6 MPa.

바람직하게는 코일링된 상기 발열체의 내부에는 텅스텐 단자선이 삽입되며, 단자선이 삽입된 상기 발열체는 활성금속페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로를 이용하여 900℃에서 10분동안 열처리될 수 있다.Preferably, a tungsten terminal wire is inserted into the coiled heating element, and the heating element with the terminal wire inserted is immersed in an active metal paste solution and then taken out and heat-treated at 900°C for 10 minutes using a brazing electric furnace. .

바람직하게는 상기 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계는, 상기 질화규소 분말과 소결조제 분말이 혼합된 혼합분말을 준비된 에틸알콜과 함께 습식혼합하는 단계, 습식혼합된 혼합분말 슬러리를 건조 및 건조된 혼합분말을 해쇄하는 단계, 해쇄된 상기 혼합분말을 일정형상의 성형틀에 채운 후, 단자선이 삽입된 상기 발열체를 매립하는 단계, 상기 발열체가 매립된 혼합분말을 프레스 성형 및 탈지하여 성형체를 준비하는 단계 및 상기 성형체를 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계로 이루어질 수 있다.Preferably, the manufacturing of the glow plug sintered body comprises: wet mixing the mixed powder in which the silicon nitride powder and the sintering aid powder are mixed together with the prepared ethyl alcohol, drying the wet mixed mixed powder slurry and drying the mixed powder Crushing, filling the pulverized mixed powder into a mold of a certain shape, then filling the heating element with a terminal wire inserted therein, press forming and degreasing the mixed powder in which the heating element is embedded, and preparing a molded body; and The molded body may be pressure-sintered to produce a glow plug sintered body.

바람직하게는 상기 단자선의 양단은 상기 글로우 플러그 소결체의 외부로 소정의 길이만큼 노출될 수 있다.Preferably, both ends of the terminal wire may be exposed to the outside of the glow plug sintered body by a predetermined length.

바람직하게는 상기 혼합분말은 볼 밀을 이용하여 4시간 동안 습식혼합되고, 80℃에서 2시간 동안 건조 및 100㎏/㎝2의 압력으로 프레스 성형되며, N2 가스 분위기의 그라파이트 도가니에서 1700~1850℃의 온도로 1~3시간 동안 가압소결될 수 있다.Preferably, the mixed powder is wet-mixed for 4 hours using a ball mill, dried at 80° C. for 2 hours, and press-formed at a pressure of 100 kg/cm 2 , 1700 to 1850 in a graphite crucible in an N 2 gas atmosphere. It can be pressure-sintered for 1 to 3 hours at a temperature of ℃.

바람직하게는 상기 글로우 플러그 소결체를 봉상으로 가공하는 단계는 상기 글로우 플러그 소결체를 원통연마기를 이용하여 다각형으로 1차 가공한 후, 무심가공기를 이용하여 봉상으로 2차 가공할 수 있다.Preferably, in the step of processing the glow plug sintered body into a rod shape, the glow plug sintered body may be first processed into a polygon using a cylindrical grinding machine, and then processed into a rod shape using a coreless machine.

바람직하게는 상기 봉상으로 가공된 상기 글로우 플러그 소결체에 전극을 형성하는 단계는, 상기 단자선의 양단 노출된 부분을 활성금속 페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로에서 1000℃로 10분 동안 열처리하여 상기 상기 글로우 플러그 소결체의 외부면에 서로 접촉되지 않도록 2개의 전극층을 형성하는 단계, 상기 전극층에 니켈 와이어를 권취한 후, Ag-Cu를 브레이징재로 하여 브레이징 전기로에서 900℃로 30분 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of forming an electrode on the sintered body of the glow plug processed into the rod shape is performed by immersing the exposed portions of both ends of the terminal wire in an active metal paste solution and taking it out and heat-treating it at 1000° C. for 10 minutes in a brazing electric furnace. Forming two electrode layers so as not to contact each other on the outer surface of the glow plug sintered body, and after winding a nickel wire on the electrode layer, heat-treating for 30 minutes at 900° C. in a brazing electric furnace using Ag-Cu as a brazing material. It can contain.

바람직하게는 상기 전극층 중 어느 하나는 글로우 플러그의 + 전극을 다른 하나는 - 전극을 이룰 수 있다.Preferably, one of the electrode layers may form the + electrode of the glow plug and the other-electrode.

바람직하게는 상기 활성금속 페이스트 용액은 Mo, V, Ti, Mn, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합될 수 있다.Preferably, the active metal paste solution may be one or two or more selected from the group consisting of Mo, V, Ti, Mn, Zr and Si.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.

먼저, 본 발명은 저항 발열체 구현이 용이하고 발열체의 저항 및 발열범위의 구조를 간편하게 제작할 수 있으며, 저항 코일은 텅스텐 직경을 자유자재로 조절이 가능하여 DC 650V 4KW/ea 고용량 설계도 가능하다.First, the present invention is easy to implement a resistance heating element and can easily fabricate the structure of the resistance and heating range of the heating element, and the resistance coil can freely adjust the tungsten diameter, thereby enabling high-capacity DC 650V 4KW/ea design.

또한, 내구성 면에서 우수한 특성을 나타내고 있으며, 저항코일 형성은 Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C으로 다양한 저항과 질화규소 Volume에 따른 팽창계수가 매칭 되도록 설계 시 대면적 대용량의 질화규소히터 제조도 가능하다.In addition, it shows excellent characteristics in terms of durability, and the formation of a resistance coil is a Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C. It is also possible to manufacture a large area large capacity silicon nitride heater when designed to match various resistances and expansion coefficients according to silicon nitride volume.

아울러, 글로우 플러그와 같은 직경이 작고 열상범위가 작은 고밀도 발열체를 보다 경제적이고 대량 생산할 수 있는 우수한 효과가 있다.In addition, a high-density heating element having a small diameter such as a glow plug and a small thermal range is more economical and has an excellent effect in mass production.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법의 전체 공정도다.
도 2는 글로우 플러그 소결체에 단자선이 노출된 상태를 도시한 도다.
도 3은 글로우 플러그 소결체에 전극이 형성된 이미지다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그의 측면도(a) 및 측단면도(b)다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 글로우 플러그 소결체(소결온도:1,800℃, 소결시간:2hr, 압력:35ton, 가스 분위기:N2 Pressure(3MPa))의 Etching Surface SEM 이미지다.
도 6은 도 5의 소결체에서 발열체와 소결체의 경계면 미세구조를 보여주는 SEM 이미지다.(이때 (a)는 50㎛, (b)는 10㎛ 이미지임)
도 7 내지 13은 12V 글로우플러그 ON-Off 시험결과를 보여주는 그래프다.
도 14 내지 20은 24V 글로우플러그 ON-Off 시험결과를 보여주는 그래프다.
1 is an overall process diagram of a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a terminal wire exposed to the glow plug sintered body.
3 is an image in which an electrode is formed on a sintered glow plug.
4 is a side view (a) and a side cross-sectional view (b) of a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle manufactured according to an embodiment of the present invention.
5 is an etching surface SEM image of a glow plug sintered body (sintering temperature: 1,800° C., sintering time: 2 hr, pressure: 35 ton, gas atmosphere: N 2 Pressure (3 MPa)) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an SEM image showing the microstructure of the interface between the heating element and the sintered body in the sintered body of FIG. 5 (where (a) is 50 μm and (b) is 10 μm image).
7 to 13 is a graph showing the 12V glow plug ON-Off test results.
14 to 20 is a graph showing the 24V glow plug ON-Off test results.

발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The terms used in the present invention have been selected as general terms that are currently widely used, but in certain cases, there are also terms that are arbitrarily selected by the applicant. The meaning should be grasped.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments illustrated in the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The same reference numerals throughout the specification indicate the same components.

이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법의 전체 공정도, 도 2는 글로우 플러그 소결체에 단자선이 노출된 상태를 도시한 도, 도 3은 글로우 플러그 소결체에 전극이 형성된 이미지, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그의 측면도(a) 및 측단면도(b), 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 글로우 플러그 소결체(소결온도:1,800℃, 소결시간:2hr, 압력:35ton, 가스 분위기:N2 Pressure(3MPa))의 Etching Surface SEM이미지, μ 6은 도 5의 소결체에서 발열체와 소결체의 경계면 미세구조를 보여주는 SEM 이미지, 도 7 내지 13은 12V 글로우플러그 ON-Off 시험결과를 보여주는 그래프이며, 도 14 내지 20은 24V 글로우플러그 ON-Off 시험결과를 보여주는 그래프다.In this regard, first, FIG. 1 is an overall process diagram of a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a state in which a terminal wire is exposed to a sintered glow plug, and FIG. 3 is a glow An image in which an electrode is formed on a plug sintered body, FIG. 4 is a side view (a) and a side sectional view (b) of a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view according to an embodiment of the present invention Etching surface SEM image of the glow plug sintered body (sintering temperature: 1,800℃, sintering time: 2hr, pressure: 35ton, gas atmosphere: N 2 Pressure (3MPa)), μ 6 is the microstructure of the interface between the heating element and the sintered body in the sintered body of FIG. SEM images showing, 7 to 13 is a graph showing the 12V glow plug ON-Off test results, Figures 14 to 20 are graphs showing the 24V glow plug ON-Off test results.

상기 도 1 내지 20을 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 질화규소 분말을 준비하는 단계(S100)를 포함한다. 1 to 20, a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention includes preparing a silicon nitride powder (S100).

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 질화규소 분말은 α-Si3N4 70~90wt% 및 β-Si3N4 10~30wt%의 혼합분말로 이루어지며, 상기 혼합분말의 전체중량대비 MgO 1.0~3.0wt%, Al2O3 1.0~3.0wt%, Y2O3 1.0∼6.0wt% 및 Ti 0.1~3.0wt%의 소결조제가 더 포함된다. At this time, the silicon nitride powder according to an embodiment of the present invention is composed of a mixture of α-Si 3 N 4 70-90 wt% and β-Si 3 N 4 10-30 wt%, MgO relative to the total weight of the mixed powder 1.0 ~ 3.0wt%, Al 2 O 3 1.0 ~ sintering aid of 3.0wt%, Y 2 O 3 1.0~6.0wt % and 0.1 ~ 3.0wt% Ti is further contained.

이때, 상기 β-Si3N4 및 Al2O3 첨가함으로써 소결성 및 글로우 플러그 소결체의 기계적 강도가 향상된다.At this time, the β-Si 3 N 4 And Al 2 O 3 By adding, the sinterability and mechanical strength of the glow plug sintered body are improved.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 상기 질화규소 분말에 코일링된 발열체를 매립하고 성형한 후, 상기 발열체가 매립된 상기 질화규소 분말을 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계(S200)를 포함한다.On the other hand, the method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention is embedded and molded in a heating element coiled in the silicon nitride powder, and then pressurized and sintered the silicon nitride powder in which the heating element is embedded to obtain a glow plug sintered body. It includes a step of manufacturing (S200).

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 소결조제로 Ti가 더 포함되는데 이때, 상기 Ti는 질화물 소결체의 Si3N4 결정입자와 소결시 결합되며 Ti는 후술할 발열체의 외부 표면과 질화물 세라믹스의 결합력을 강화시켜 발열체 매립부의 외부에 기공이 생기지 않도록 한다. In addition, the method of manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention further includes Ti as a sintering aid, wherein the Ti is combined with sintered Si 3 N 4 crystal particles of a nitride sintered body and Ti will be described later. By strengthening the bonding force between the outer surface of the heating element and the nitride ceramics, pores are not formed outside the heating element buried portion.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 상기 질화규소 분말에 코일링된 발열체를 매립하고 성형한 후, 상기 발열체가 매립된 상기 질화규소 분말을 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계(S200)를 포함한다. On the other hand, the method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention is embedded and molded in a heating element coiled in the silicon nitride powder, and then pressurized and sintered the silicon nitride powder in which the heating element is embedded to obtain a glow plug sintered body. It includes a step of manufacturing (S200).

이하에서는 상기 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계(S200)에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the step (S200) of manufacturing the glow plug sintered body will be described in detail.

먼저, 상기 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계(S200)는 상기 질화규소 분말과 소결조제 분말이 혼합된 혼합분말을 준비된 에틸알콜과 함께 습식혼합하는 단계를 포함하며, 상기 습식혼합하는 단계는 볼 밀을 이용하여 4시간 동안 습식혼합된다.First, the step of manufacturing the glow plug sintered body (S200) includes wet mixing the mixed powder in which the silicon nitride powder and the sintering aid powder are mixed together with the prepared ethyl alcohol, and the wet mixing step uses a ball mill. And then mixed for 4 hours.

이후, 습식혼합된 혼합분말 슬러리를 건조 및 건조된 혼합분말을 해쇄하는 단계 및 해쇄된 상기 혼합분말을 일정형상의 성형틀에 채운 후, 단자선이 삽입된 상기 발열체를 매립하는 단계를 포함한다.Thereafter, drying and mixing the wet mixed powder slurry includes crushing the dried powder, and filling the pulverized mixed powder in a molding mold having a predetermined shape, and then filling the heating element with the terminal wire inserted therein.

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 발열체는 직경이 120㎛인 텅스텐 와이어를 0.29~1.0㎜의 직경을 갖도록 코일링하여 저항값이 0.4~1.6Ω이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.At this time, the heating element according to an embodiment of the present invention is characterized in that the resistance value is 0.4 to 1.6 하여 by coiling a tungsten wire having a diameter of 120 μm to have a diameter of 0.29 to 1.0 mm.

한편, 상기 발열체의 직경을 상술한 바와 같이 한정하는 이유는 다음과 같다.Meanwhile, the reason for limiting the diameter of the heating element as described above is as follows.

이와 관련하여 먼저 텅스텐 코일형 저항 발열체의 경우 직경이 크면 발열시 질화규 소결체와 텅스텐금속 팽창계수가 미스 매치 되면 질화규소 소결체가 팽창에 의하여 파괴현상이 발생되기 때문에, 이러한 파괴현상이 없이 내구성을 갖기 위하여 질화규소 소결체와 텅스텐금속선(W-metal wire)의 직경조절이 매우 중요하며, 저항값에 따른 선경(Wire Dia.)과 길이 제어가 중요하다.In this regard, first, in the case of a tungsten coil-type resistance heating element, if the diameter is large, when the heat-generating silicon nitride sintered body and the tungsten metal expansion coefficient are mismatched, the silicon nitride sintered body has a fracture phenomenon due to expansion, so to have durability without such destruction phenomenon It is very important to control the diameter of the silicon nitride sintered body and the tungsten metal wire, and it is important to control the wire diameter and length according to the resistance value.

이에 본 발명의 일실시 예에서는 선의 직경이 120㎛인 텅스텐 와이어를 코일링하여 직경이 0.29∼1.0mm인 일정 길이의 코일을 제작하였으며, 이때 상기 코일의 저항값은 0.4~1.6Ω이다. Accordingly, in one embodiment of the present invention, a coil of tungsten wire having a wire diameter of 120 μm was coiled to produce a coil having a constant length of 0.29 to 1.0 mm, and the resistance value of the coil was 0.4 to 1.6 MPa.

한편, 코일링된 상기 발열체의 내부에는 텅스텐 단자선이 삽입되며, 단자선이 삽입된 상기 발열체는 활성금속페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로를 이용하여 900℃에서 10분동안 열처리되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, a tungsten terminal wire is inserted inside the coiled heating element, and the heating element having the terminal wire inserted is immersed in an active metal paste solution and then taken out and heat-treated at 900°C for 10 minutes using a brazing electric furnace. do.

이때, 상기 단자선은 도 2에 도시된 바와 같이 글로우 플러그 소결체의 외부면에 일정길이만큼 노출되며 노출된 길이만큼 후술할 전극층을 형성할 수 있고 니켈 와이어와의 접합강도를 향상시킴으로써 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그의 사용수명 및 내구성을 10년이상 확보할 수 있다.At this time, the terminal wire is exposed to a predetermined length on the outer surface of the sintered glow plug as shown in FIG. 2 and can form an electrode layer to be described later by the exposed length, and improves the bonding strength with the nickel wire to improve silicon nitride for diesel vehicles. The service life and durability of the glow plug can be secured for more than 10 years.

한편, 상기 혼합분말 슬러리의 건조는 다양한 방법을 통해 수행될 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 다양한 건조기를 이용하여 80℃에서 2시간 동안 건조된다.On the other hand, the drying of the mixed powder slurry may be performed through various methods, but in one embodiment of the present invention, it is dried at 80° C. for 2 hours using various dryers.

아울러, 상기 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계(S200)는 상기 발열체가 매립된 혼합분말을 프레스 성형 및 탈지하여 성형체를 준비하는 단계 및 상기 성형체를 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계를 포함한다.In addition, the step (S200) of manufacturing the glow plug sintered body includes preparing a molded body by press-molding and degreasing the mixed powder in which the heating element is embedded, and manufacturing the glow plug sintered body by pressure-sintering the molded body.

이때, 상기 발열체는 상기 성형체의 내부에 텅스텐 발열저항 코일이 중심부에 위치하도록 매립되며, 이처럼 중심부에 매립하는 이유는 소결후 발열상이 중심부에 모여야만 내구성이 양호하게 되고, 중심부에서 벗어나면 열상이 한쪽으로 치우쳐서 내구성이 크게 떨어지므로 이를 미연에 방지하기 위함이다.At this time, the heating element is embedded in the inside of the molded body so that the tungsten heating resistance coil is located at the center, and the reason for embedding in the center is that the heating phase after sintering must be gathered at the center, and thus the durability becomes good. This is to prevent this in advance as the durability is greatly reduced due to bias.

한편, 상기 프레스 성형 및 상기 성형체를 가압소결하는 단계는, 100㎏/㎝2의 압력으로 프레스 성형되며, N2 가스 분위기의 그라파이트 도가니에서 1700~1850℃의 온도로 1~3시간 동안 가압소결된다.On the other hand, the press molding and the step of pressure-sintering the molded body are press-molded at a pressure of 100 kg/cm 2 , and pressure-sintered for 1 to 3 hours at a temperature of 1700 to 1850° C. in a graphite crucible in an N 2 gas atmosphere. .

이때, 공기층에서 소성할 경우 산화되어 히터로서 사용할 수 없을 수 있으므로, 텅스텐 전극이 산화되지 않고 히터로서 사용할 수 있도록 N2 가스 분위기에서 소결하며, 상기 도 5를 참조하면 소결온도 1800℃, 2시간 소결체의 경우 N2 Pressure가 1MPa보다 3MPa의 압력상승시 질화규소의 입자성장이 제어되어 치밀화가 증진됨을 확인할 수 있다.At this time, when firing in the air layer, since it may be oxidized and cannot be used as a heater, it is sintered in an N 2 gas atmosphere so that the tungsten electrode is not oxidized and can be used as a heater. In the case of N 2 Pressure, it can be confirmed that the densification is enhanced by controlling the particle growth of silicon nitride when the pressure rises from 3 MPa to 1 MPa.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 상기 글로우 플러그 소결체를 봉상으로 가공하는 단계(S300)를 포함한다.Meanwhile, a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention includes the step of processing the sintered glow plug into a rod (S300).

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 봉상으로 가공하는 단계(S300)는 상기 글로우 플러그 소결체를 원통연마기를 이용하여 다각형으로 1차 가공한 후, 무심가공기를 이용하여 봉상으로 2차 가공한다.At this time, in the step (S300) of processing into the rod shape according to an embodiment of the present invention, the glow plug sintered body is first processed into a polygon using a cylindrical grinding machine, and then processed into a rod shape using a coreless machine.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 봉상으로 가공된 상기 글로우 플러그 소결체에 전극을 형성하는 단계(S400)를 포함한다. In addition, the method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention includes forming an electrode on the sintered body of the glow plug processed into a rod (S400).

이와 관련하여 도 3을 참조하면, 상기 전극을 형성하는 단계(S400)는 상기 단자선의 양단 노출된 부분을 활성금속 페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로에서 1000℃로 10분 동안 열처리하여 상기 상기 글로우 플러그 소결체의 외부면에 서로 접촉되지 않도록 2개의 전극층을 형성하는 단계 및 상기 전극층에 니켈 와이어를 권취한 후, Ag-Cu를 브레이징재로 하여 브레이징 전기로에서 900℃로 30분 동안 열처리하는 단계를 포함한다.In this regard, referring to FIG. 3, in the forming of the electrode (S400), the exposed portions of both ends of the terminal wire are immersed in an active metal paste solution, and then taken out and heat-treated at 1000° C. for 10 minutes in a brazing electric furnace to the glow. The step of forming two electrode layers so as not to contact each other on the outer surface of the plug sintered body, and after winding the nickel wire on the electrode layer, Ag-Cu is used as a brazing material and heat-treated at 900°C for 30 minutes in a brazing electric furnace. do.

이때, 상기 전극층 중 어느 하나는 리드선과 연결되어 글로우 플러그의 + 전극을 다른 하나는 리드선과 연결되어 - 전극을 이룬다.At this time, one of the electrode layers is connected to the lead wire and the + electrode of the glow plug is connected to the other lead wire to form a-electrode.

이에 대해 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 상기 - 전극은 접지부로서 히터전극부에 서스 또는 동 슬리브를 활성금속 접합법으로 고진공브레이징로에서 약 1000℃로 접합하여 - 전극을 형성한다.This will be described in more detail with reference to FIG. 4, wherein the electrode is a grounding portion, and a suspension or copper sleeve is bonded to the heater electrode portion at about 1000° C. in a high vacuum brazing furnace by an active metal bonding method to form an electrode.

한편, + 전극은 히터 상부에 니켈선을 질화규소 히터선과 소결체의 메탈라이징 된 전극 Ni선을 상부에서 M4x0.7나사부에 접합하며, 접합방법으로는 Ni-Sus 304 금속접합으로 Ag 브레이징 함을 특징으로 한다.On the other hand, the + electrode bonds the nickel wire to the top of the heater, and the silicon nitride heater wire and the metalized electrode Ni wire of the sintered body are bonded to the M4x0.7 screw portion from the top, and the bonding method is characterized by Ag brazing with Ni-Sus 304 metal bonding. do.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 활성금속 페이스트 용액은 Mo, V, Ti, Mn, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 것을 특징으로 한다.On the other hand, the active metal paste solution according to an embodiment of the present invention is characterized in that any one or two or more selected from the group consisting of Mo, V, Ti, Mn, Zr and Si are mixed.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따라 제조되는 질화규소 글로우 플러그의 특성을 정리하면 하기 표 1과 같다.Meanwhile, the characteristics of the silicon nitride glow plug manufactured according to an embodiment of the present invention are summarized in Table 1 below.

항목Item 단위unit 질화규소 글로우 플러그Silicon nitride glow plug 내전압 (5mA, 2sec)Withstand voltage (5mA, 2sec) VV 5,000 이상5,000 or more 밀도(Density)Density g/cm3 g/cm 3 3.263.26 3점굽힘강도3-point bending strength MPaMPa 800800 비커스경도Vickers hardness Kg/mm2 Kg/mm 2 1,6001,600 최고사용온도
Max. use temp.
Maximum operating temperature
Max. use temp.
℃ max.℃ max. 1,4001,400
상용사용온도
Operating temp.
Commercial use temperature
Operating temp.
℃ max.℃ max. 1,3001,300
열전도율
Thermal conductivity
Thermal conductivity
Thermal conductivity
W/mKW/mK 3131
비열
Specific Heat
specific heat
Specific Heat
J/gKJ/gK 1One
선팽창계수
Coef. of linear thermal expansion
Coefficient of linear expansion
Coef. of linear thermal expansion
/℃(40-800℃)/℃(40-800℃) 3.7x1-63.7x1-6

한편, 상기 도 7 내지 20을 참조하면 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그는 내구성 시험결과 5000Cycle 이상의 내구성을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다.On the other hand, referring to FIGS. 7 to 20, the silicon nitride glow plug for a diesel vehicle manufactured according to an embodiment of the present invention was found to be capable of securing durability of 5000 cycles or more.

이때, 내구성시험은 On-Off Test System을 이용한 시험결과로서, 전압을 14.4V, 정격전압 12V보다 가혹하게 인가하여 시험하였으며, 전압 ON-OFF 시험장치를 이용하여 3분 ON, 1.2분 OFF를 1 Cycle로 하여 전압 ON-OFF시험을 수행하였다.At this time, the durability test was a test result using the On-Off Test System, and the voltage was applied by applying a voltage more severely than 14.4 V and the rated voltage of 12 V. Voltage ON-OFF test was performed as a cycle.

결과적으로, 본 발명의 일실시 예에 따른 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법은 상술한 기술적 구성들을 통해 먼저, 본 발명은 저항 발열체 구현이 용이하고 발열체의 저항 및 발열범위의 구조를 간편하게 제작할 수 있으며, 저항 코일은 텅스텐 직경을 자유자재로 조절이 가능하여 DC 650V 4KW/ea 고용량 설계도 가능하다.As a result, the method for manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle according to an embodiment of the present invention is first through the above-described technical configurations, the present invention is easy to implement a resistance heating element and can easily produce a structure of resistance and heating range of the heating element. , The resistance coil can freely adjust the tungsten diameter, so a high capacity DC 650V 4KW/ea design is also possible.

또한, 내구성 면에서 우수한 특성을 나타내고 있으며, 저항코일 형성은 Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C으로 다양한 저항과 질화규소 Volume에 따른 팽창계수가 매칭 되도록 설계 시 대면적 대용량의 질화규소히터 제조도 가능하다.In addition, it shows excellent characteristics in terms of durability, and the formation of a resistance coil is a Tunsten Wire Winding & Rewindibg M/C. It is also possible to manufacture a large area large capacity silicon nitride heater when designed to match various resistances and expansion coefficients according to silicon nitride volume.

아울러, 글로우 플러그와 같은 직경이 작고 열상범위가 작은 고밀도 발열체를 보다 경제적이고 대량 생산할 수 있는 우수한 효과가 있다.In addition, a high-density heating element having a small diameter such as a glow plug and a small thermal range is more economical and has an excellent effect in mass production.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but is not limited to the above-described embodiments and is within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention. By this, various changes and modifications will be possible.

Claims (8)

질화규소 분말을 준비하는 단계;
상기 질화규소 분말에 코일링된 발열체를 매립하고 성형한 후, 상기 발열체가 매립된 상기 질화규소 분말을 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계;
상기 글로우 플러그 소결체를 봉상으로 가공하는 단계; 및
봉상으로 가공된 상기 글로우 플러그 소결체에 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 질화규소 분말은 α-Si3N4 70~90wt% 및 β-Si3N4 10~30wt%의 혼합분말로 이루어지며, 상기 혼합분말의 전체중량대비 MgO 1.0~3.0wt%, Al2O3 1.0~3.0wt%, Y2O3 1.0∼6.0wt% 및 Ti 0.1~3.0wt%의 소결조제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
Preparing a silicon nitride powder;
Forming a glow plug sintered body by pressing and sintering the silicon nitride powder in which the heating element is embedded, after embedding and molding the coiled heating element in the silicon nitride powder;
Processing the glow plug sintered body into a rod shape; And
Comprising the step of forming an electrode on the glow plug sintered body processed into a rod,
The silicon nitride powder is composed of a mixture of α-Si 3 N 4 70-90 wt% and β-Si 3 N 4 10-30 wt%, MgO 1.0-3.0 wt%, Al 2 O 3 relative to the total weight of the mixed powder. A method of manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, further comprising 1.0 to 3.0 wt%, Y 2 O 3 1.0 to 6.0 wt%, and Ti 0.1 to 3.0 wt%.
제 1 항에 있어서,
상기 발열체는 직경이 120㎛인 텅스텐 와이어를 0.29~1.0㎜의 직경을 갖도록 코일링하여 저항값이 0.4~1.6Ω이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
According to claim 1,
The heating element is a method of manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, characterized in that a tungsten wire having a diameter of 120 µm is coiled to have a diameter of 0.29 to 1.0 mm so that a resistance value is 0.4 to 1.6 Ω.
제 2 항에 있어서,
코일링된 상기 발열체의 내부에는 텅스텐 단자선이 삽입되며, 단자선이 삽입된 상기 발열체는 활성금속페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로를 이용하여 900℃에서 10분동안 열처리되는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
According to claim 2,
A diesel characterized in that a tungsten terminal wire is inserted into the coiled heating element, and the heating element with the terminal wire inserted is immersed in an active metal paste solution and then taken out and heat-treated at 900°C for 10 minutes using a brazing electric furnace. Method for manufacturing silicon nitride glow plug for automobiles.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계:는
상기 질화규소 분말과 소결조제 분말이 혼합된 혼합분말을 준비된 에틸알콜과 함께 습식혼합하는 단계;
습식혼합된 혼합분말 슬러리를 건조 및 건조된 혼합분말을 해쇄하는 단계;
해쇄된 상기 혼합분말을 일정형상의 성형틀에 채운 후, 단자선이 삽입된 상기 발열체를 매립하는 단계;
상기 발열체가 매립된 혼합분말을 프레스 성형 및 탈지하여 성형체를 준비하는 단계; 및
상기 성형체를 가압소결하여 글로우 플러그 소결체를 제작하는 단계로 이루어지되,
상기 단자선의 양단은 상기 글로우 플러그 소결체의 외부로 소정의 길이만큼 노출되는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
The method of claim 1 or 2,
The step of manufacturing the glow plug sintered body:
Wet mixing the mixed powder in which the silicon nitride powder and the sintering aid powder are mixed together with the prepared ethyl alcohol;
Drying the wet-mixed mixed powder slurry and crushing the dried mixed powder;
Filling the crushed mixed powder in a mold having a predetermined shape, and then filling the heating element with a terminal wire inserted therein;
Preparing a molded body by press forming and degreasing the mixed powder in which the heating element is embedded; And
It consists of a step of producing a glow plug sintered body by pressure sintering the molded body,
A method of manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, wherein both ends of the terminal wire are exposed to the outside of the sintered body of the glow plug for a predetermined length.
제 4 항에 있어서,
상기 혼합분말은 볼 밀을 이용하여 4시간 동안 습식혼합되고, 80℃에서 2시간 동안 건조 및 100㎏/㎝2의 압력으로 프레스 성형되며, N2 가스 분위기의 그라파이트 도가니에서 1700~1850℃의 온도로 1~3시간 동안 가압소결되는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
The method of claim 4,
The mixed powder is wet-mixed using a ball mill for 4 hours, dried at 80° C. for 2 hours and press-molded at a pressure of 100 kg/cm 2 , and a temperature of 1700 to 1850° C. in a graphite crucible in an N 2 gas atmosphere Method for producing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, characterized in that it is pressurized and sintered for 1 to 3 hours.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 글로우 플러그 소결체를 봉상으로 가공하는 단계는 상기 글로우 플러그 소결체를 원통연마기를 이용하여 다각형으로 1차 가공한 후, 무심가공기를 이용하여 봉상으로 2차 가공하는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
The method of claim 1 or 2,
In the step of processing the sintered body of the glow plug into a rod shape, the sintered body of the glow plug is first processed into a polygon using a cylindrical grinding machine, and then processed into a rod shape using a coreless processing machine, and then silicon nitride glow plug for diesel vehicles. Manufacturing method.
제 4 항에 있어서,
상기 봉상으로 가공된 상기 글로우 플러그 소결체에 전극을 형성하는 단계:는
상기 단자선의 양단 노출된 부분을 활성금속 페이스트 용액에 침지한 후 꺼내어 브레이징 전기로에서 1000℃로 10분 동안 열처리하여 상기 상기 글로우 플러그 소결체의 외부면에 서로 접촉되지 않도록 2개의 전극층을 형성하는 단계;
상기 전극층에 니켈 와이어를 권취한 후, Ag-Cu를 브레이징재로 하여 브레이징 전기로에서 900℃로 30분 동안 열처리하는 단계를 포함하되,
상기 전극층 중 어느 하나는 글로우 플러그의 + 전극을 다른 하나는 - 전극을 이루는 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
The method of claim 4,
Forming an electrode on the glow plug sintered body processed into the rod shape:
Immersing the exposed portions of both ends of the terminal wire in an active metal paste solution and then taking it out and heat-treating it at 1000°C for 10 minutes in a brazing electric furnace to form two electrode layers so as not to contact each other on the outer surfaces of the glow plug sintered body;
After winding the nickel wire to the electrode layer, Ag-Cu as a brazing material comprises a step of heat treatment for 30 minutes at 900 ℃ in a brazing electric furnace,
A method of manufacturing a silicon nitride glow plug for a diesel vehicle, characterized in that one of the electrode layers forms a + electrode of the glow plug and a-electrode of the other.
제 3 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 활성금속 페이스트 용액은 Mo, V, Ti, Mn, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는 디젤자동차용 질화규소 글로우 플러그 제조방법.
The method of claim 3 or 7,
The active metal paste solution is a method for manufacturing a silicon nitride glow plug for diesel vehicles, characterized in that any one or two or more selected from the group consisting of Mo, V, Ti, Mn, Zr and Si are mixed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980075829A (en) * 1997-04-02 1998-11-16 김기호 Manufacturing method of ceramic glow plug heating element tip for diesel engine ignition
KR20170055639A (en) * 2015-11-12 2017-05-22 한국세라믹기술원 Manufacturing method of silicon nitride sintered body having high thermal conductivity

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