TWI580657B - Aluminum body, and the use of its motor - Google Patents
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Description
本發明,係有關於供以接合鋁線之無鉛銲料、具有以銲料所接合之連接部的鋁線體、及使用鋁線體之馬達。
歷來,在使用於汽車和馬達等之電纜的導線方面,普遍使用銅和銅合金。通常,此等之導線,係由於可藉將端子按壓/壓接而充分電性導通,故作業容易,電性可靠性亦高的連接為可能的。
然而,銅電線係重量為重、高價,故具有無法充分應對近年來之汽車和馬達等所要求之輕量化/低成本化的要求之問題點。為此,作為銅電線之替代材料開始檢討鋁和鋁合金。將銅電線置換為鋁線之情況下,在電線本身的輕量化效果方面約30~40%程度、在材料成本方面可預料約50%程度之削減。
但是,將鋁使用於配線之情況下,由於表面之氧化速度為快的使得銲接加工為困難的、和由於連接後在常溫下仍易於產生應力之鬆弛故在如歷來之藉按壓/壓
接的連接方法方面,有無法獲得電性連接之可靠性的課題。
所以,已揭露:如專利文獻1所示之在有底面使用特殊端子而嵌入鋁線,在底面部分銲接後壓接之手法。
[專利文獻1]日本發明專利特開2006-179369號公報
[專利文獻2]日本發明專利特開2013-032255號公報
然而,通常鋁線如前所述銲料不易附著,故在專利文獻1中具有難以與電性、機械性同時獲得充分的連接可靠性之問題。
此外,在專利文獻2方面,雖指示以低的燒成溫度而軟化流動,且良好的熱性、具有化學穩定性之無鉛玻璃組成物、密封用玻璃熔料、密封用玻璃膏、及導電性玻璃膏,但關於鋁線之接合並未提及。
本發明之目的,係提供一種銲料、鋁線體、及使用鋁線體之馬達,鑒於上述問題而創作者,可將鋁線與電性、機械性同時在高的連接可靠性下接合。
為了達成上述目的,本發明,係一種銲料,係將鋁或鋁合金之電線與被接合金屬接合之銲料,特徵在於:包含含釩之氧化物玻璃與導電性粒子。
此外,為了達成上述目的,本發明,係一種鋁線體,具備將鋁或鋁合金之電線、被接合金屬、前述接合體與被接合金屬以銲料接合之連接部,特徵在於:前述連接部係藉前述記載之銲料而接合。
此外,為了達成上述目的,本發明,係一種馬達,具備外殼、配置於前述外殼內之定子線圈、配置於前述定子線圈之內側的轉子,特徵在於:將前述定子線圈以鋁線構成,將前述鋁線之末端以前述記載之鋁線體構成。
根據本發明,可將鋁線與電性、機械性同時在高的連接可靠性下接合。
1‧‧‧氧化物玻璃(銲料)
2‧‧‧導電性粒子(導電性金屬粒子)
3‧‧‧鋁線
4‧‧‧被接合金屬(被接合材料)
5‧‧‧化合物相(合金相)
6‧‧‧鋁氧化物塗膜
1、2、5、33、41‧‧‧連接部
1~6、31~33、41~43‧‧‧鋁線體
31‧‧‧鋁線
32‧‧‧鋁導體
33‧‧‧銲接部
41‧‧‧銲料
42‧‧‧端子金屬配件
43‧‧‧孔部
1000‧‧‧馬達
100‧‧‧外殼
200‧‧‧定子鐵芯
300‧‧‧線圈骨架
400‧‧‧定子線圈
500‧‧‧轉子
600‧‧‧母線
700‧‧‧托架
800‧‧‧底座
[圖1]鋁線體之連接部的放大示意圖。
[圖2]玻璃組成物之以DTA(差熱分析)測定而獲得之DTA曲線的一例。
[圖3]繪示鋁線體之連接部的一例之示意圖。
[圖4]繪示鋁線與端子之連接部的一例之示意圖。
[圖5]繪示使用了鋁線之馬達的一例之示意圖。
以下,就本發明之一實施形態,一面參見圖式與表一面更詳細說明。
為了獲得在本發明中之鋁線的連接可靠性高之鋁線體,需要於該連接部之銲料(氧化物玻璃)包含釩。連接部需要釩之理由,係釩與鋁之相容性佳,具有在連接部形成時將形成於鋁之表面的氧化皮膜除去之效果。此外,由於將氧化皮膜除去,同時在鋁之表面與銲料之界面形成釩之化合物相,故在接著性方面亦優異。雖此界面之化合物為微量的使得未能正確辨認化合物相,但藉X射線光電子光譜法確認了存在4價以下之釩。此外,依製作條件,亦存在於上述界面觀測到金屬之釩的情況。
為此,界面之化合物,可想作為:包含4價以下之釩的氧化物(釩之氧化物相)、或合金(釩之合金相)。此外,此化合物被形成於界面時,由於在防潮性方面比一般的鋁之氧化皮膜優異,故為可靠性更高的連接部。
於圖1以示意圖繪示鋁線體之連接部的接合
狀態之構造。1係包含接合用之釩的氧化物玻璃,2係混入氧化物玻璃1之導電性粒子(導電性金屬粒子)(鋁粒子),兩者構成銲料。3係鋁或鋁合金之電線、4係與電線3接合之被接合金屬(被接合材料)並由鋁材或其他金屬所成。5係形成於電線3與氧化物玻璃1之界面的化合物相(或合金相),6係形成於電線3之表面的氧化物塗膜(礬土)。
根據圖1之連接部的構造,形成於鋁之表面的氧化皮膜5被除去,透過形成於電線3與氧化物玻璃1之界面的化合物相(或金屬相),電線3與氧化物玻璃1被接著。此外,混入氧化物玻璃1之鋁粒子與電線3一體地接合。以此方式藉氧化物玻璃1之接著與導電性金屬粒子之接合,銲料與電線3以優異之接著性接合,另外同樣地,被接合金屬4亦與上述銲料以優異之接著性接合。
此連接部的接合狀態,係於連接部供給銲料後,透過藉加熱/冷卻之燒成而形成。在往連接部之銲料的供給形態方面,有銲料之粉末狀、膏狀、線狀、薄片狀。此外,可考慮在被接合之鋁線的前端預先進行銲料塗層之形態。在任一形態中,為了形成可靠性高之連接部,皆需要包含釩之氧化物玻璃。
往鋁線體之連接部之釩的供給形態採用氧化物玻璃之理由,係使與鋁之反應溫度降低,降低銲料之熔點。通常,氧化釩之熔點係高達690℃,不成為融點附近則不會開始與鋁之反應。然而,發現:藉採用含釩之氧化
物玻璃,氧化物玻璃(銲料)以低溫軟化流動,可開始與鋁之反應。此等,係在供給含釩之氧化物玻璃後,藉以200℃以上加熱,可易於軟化而形成可靠性高之連接部。此外,在連接部形成時,可藉輔助性使用超音波等而接合以促進接合。在連接電線與端子金屬配件之情況下,藉一面加熱一面將電線壓接於端子金屬配件,可形成連接可靠性高之連接端子。
後述之表1,係顯示製作/檢討之玻璃組成。在本發明中之氧化物玻璃,係將釩玻璃化,且以更低溫軟化流動,故在組成方面,包含銀、碲、磷中至少1種較佳。此外,作為氧化物玻璃更佳的組成,係在以下的氧化物狀態下Ag2O、V2O5、TeO2之合計為75質量%以上。以此條件所製作之氧化物玻璃的轉移點為250℃以下時,藉300℃程度之加熱將銲料熔化,從而可形成可靠性高之連接部故較佳
此外,Ag2O為40質量%以上時,玻璃之轉移點為180℃以下,能以250℃程度之低的溫度之加熱將銲料熔化,可形成可靠性高之連接部故更佳。順帶一提,此時之Ag2O、V2O5、TeO2之合計係90質量%以上。再者,為了調整玻璃之結晶化傾向和耐熱溫度等,作為添加物亦可予以含有Fe、K、W、Ba、Sb等中1種以上。
在本發明之氧化物玻璃的製作法方面,雖非
特別限制者,但將調配/混合成為原料之各氧化物的原料加入白金坩堝,可透過藉電爐以5~10℃/分鐘之升溫速度加熱至700~900℃,保持數小時而製作。保持中為了作成均勻之玻璃而攪拌較佳。在將坩堝從電爐取出時,為了防止往氧化物玻璃表面之水分吸附,流入預先加熱至100℃程度之不銹鋼板上等較佳。
在本發明之膏狀的銲料之製作法方面,使用將以上述方式所製作之氧化物玻璃,以搗碎機和噴射磨機等粉碎至約5μm以下者。膏狀物化時所加入之有機溶劑非特別限制者,但可使用普遍使用之α-松油醇和二甘醇丁醚醋酸酯等。此外,若在粘度調整和接著時之形態保持方面有需要,亦可加入適宜乙基纖維素和硝基纖維素等之粘合劑。
此外,為了使銲料之接著時的導電性提升,於膏狀之銲料中含有至少1種以上之從鋁或鋁合金粒子、銅或銅合金粒子、銀或銀合金粒子、錫或錫合金粒子、鋅或鋅合金粒子所選擇之導電性金屬粒子較佳。導電性金屬粒子之含有量,係如後述之表4所示般,90體積%以下較佳,在多於此含有量之情況下剪斷強度會降低而接著性會不良化。再者,導電性金屬粒子之含有量,10體積%以上、80體積%以下時,接著時(接合時)之導電性進一步提升,且剪斷強度大、接著性會提升,故更佳。
即使在予以含有導電性金屬粒子之情況下,
由於在如圖1所示般接合時導電性金屬粒子之表面以氧化物玻璃所覆蓋,故與使用一般的銲料(有鉛)之情況不同,因水分等之吸附為原因所產生之電位差的腐蝕不易發生。在連接鋁彼此時,為了防止因電位差之腐蝕,在導電性金屬粒子方面為鋁較佳,以此方式構成可使電性連接可靠性大幅提升,且維持。
銲料,係以低溫軟化流動,故在組成方面,包含銀、碲、磷中至少1種較佳。另外,此等之組成已含於氧化物玻璃。
本發明的膏狀之銲料,係除了形成鋁電線彼此之連接部以外,只要為在被接合構材方面使用鋁之用途即非特別限定者,亦可適用於印刷電路基板、和半導體積體電路。
將本發明之銲料加工成粉末狀、線狀、薄片狀之手法,係非特別限定者,但可例如將一度作成銲料膏狀物者藉在加熱之狀態下加工成線狀和薄片狀而形成。將銲料加工成粉末狀之手法,可將一度作成銲料膏狀物者加熱,在冷卻後粉碎而形成。再者,往鋁線之銲料的塗佈技術亦非特別限定者,可例如藉浸漬在熔化之銲料(玻璃)中而塗佈。
此外,關於鋁線之材質,亦非特別限定者。為了使強度提升,可使用與鐵和鎂之合金材料,與供以使耐熱性提升之鋯的合金材料亦可使用。
再者,關於接合於鋁線之端子金屬配件的材
料,非特別限定者,可使用鋁和鋁合金、銅和銅合金等。
在本發明之鋁線體的應用用途方面,非特別限定者,但可活用連接可靠性高的情形,使用於在汽車等內部之電力供給和使用於信號傳送之配線所使用的線束、馬達之繞組線的連接線、電池纜線等。
以下,使用實施例進一步詳細說明。但是,本發明,係不限定於在此提起的實施例之記載,亦可予以適宜組合。
表1,係作為實施例顯示與氧化物玻璃之製作進行檢討之玻璃(玻璃No.G1~G33)的組成者。表2,係顯示作為比較例之氧化物玻璃(玻璃No.G37~G38)的組成者。
任一者的成分皆以氧化物換算之質量%(質量百分比)顯示。在此等之低融點玻璃組成物中,考量到環
境/安全,實質上並未予以含有鉛。各成分之原料,係使用了:五氧化二釩(V2O5)、氧化碲(TeO2)、三氧化二鐵(Fe2O3)、五氧化二磷(P2O5)、氧化銀(Ag2O)、氧化鎢(WO3)、碳酸鋇(BaO)、氧化銻(Sb2O3)、碳酸鉀(K2O)。
氧化物玻璃之製作,係依以下之順序進行。將原料化合物以成為表1之組成的方式調配/混合之混合粉末1kg加入白金坩堝,使用電爐而以5~10℃/min(℃/分)之升溫速度加熱至700℃~900℃之加熱溫度而保持2小時。保持中係為了作成均勻的玻璃而進行了攪拌。接著,將白金坩堝從電爐取出,流入預先加熱至100℃之不銹鋼板上,獲得氧化物玻璃。所製作之氧化物玻璃,係在使用搗碎機而粗粉碎後,藉使用噴射磨機而微粉碎以粉碎至平均粒徑(D50)成為3.0μm以下為止。
將流入不銹鋼板上之玻璃藉搗碎機而粉碎至平均粒徑(D50)成為20μm未滿為止,藉以5℃/分之升溫速度進行差熱分析(DTA),測定轉移點(Tg)。另外,作為標準樣品使用了礬土粉末。於圖2繪示玻璃之代表性的DTA曲線。如圖2所示,Tg係作為第一吸熱頂峰之開始溫度。
使用以表1所顯示之氧化物玻璃粒子、Al(鋁)粒子及溶劑而製作銲膏。在Al粒子方面係使用平均粒徑3μm之球狀粒子,在氧化物玻璃粒子方面係使用平均粒徑3.0μm以下之粉碎粉,在溶劑方面係使用α-松油醇。氧化物玻璃粒子之含有量,係相對於Al粒子70體積%作成30體積%。此外,由Al粒子與氧化物玻璃粒子所成之膏狀物固含量的含有量係作成70~75重量%。
使用所製作之銲膏,而往礬土基板藉網版印刷法以20mm平方作塗布。以150℃乾燥之後的塗膜厚係20μm左右。之後,大氣中以200℃~400℃保持2分鐘,藉4端子法而測定電阻。電阻,係其比電阻為10-5Ωcm或其以下時係評估為◎、10-4Ωcm時係評估為○、10-3Ωcm或其以上時係評估為×。
進一步對於所製作之塗膜,為了防潮性評估而實施了高溫高濕度試驗。實施1000小時的85℃、85%之高溫高濕度試驗,製作的塗膜幾乎不見變化之情況評估為○,見到黑色化之情況評估為×。
此外,同樣地將銲膏往Al基板形成塗膜後,在塗膜上載置半徑5mm、高度2mm之Al製圓柱,以成為1MPa之壓力的方式加重之後,大氣中200℃~400℃之中,在各試料以電阻值成為○或◎之最低溫保持2分鐘。評估了燒成後之接合體的剪斷強度。剪斷強度,係10MPa以上之情況下作為合格,未滿其之情況下作為不合格。將電阻、高溫高濕度試驗、剪斷強度之評估結果總結顯示於
表3(膏狀物No.P1~P33,P37,P38)。
如表3所示,判明了:所製作之銲膏,係未予以上升至鋁之熔點,可使電阻降低。若比較實施例(表1)與比較例(表2),則可得知:於氧化物玻璃之構成成分含有釩時,電阻會降低,防潮性會提升,接合強度亦優異。此外,在氧化物玻璃之組成中,Ag2O、V2O5、TeO2之合計為75質量%以上時,因為轉移點係成為250℃以下,可使以300℃燒成時之電阻降低故較佳。並且Ag2O為40質量%以上時,轉移點成為180℃以下,因為以250℃燒成時亦可使電阻降低故更佳。順帶一提,此時之Ag2O、V2O5、TeO2之合計係90質量%以上。
使用依表1所製作之玻璃G29,而將銲膏中含有之玻璃添加量與Al粒子之含有量變更成如表4,以與實施例1相同方式製作了銲膏(PA1~PA12)。將所製作之銲膏與實施例1同樣地,以300℃保持2分鐘後,評估了剪斷強度。此外,測定了剪斷強度測定用之樣品的上下間之Al
的電阻。測定值為1Ω未滿之情況係評估為◎、1Ω以上、2Ω未滿之情況係評估為○、其以上之情況係評估為×。將測定後之結果一併顯示於表4。
根據表4,得知:欲確保接著性(剪斷強度),氧化物玻璃之添加量係10體積%以上(Al粒子之含有量係90體積%以下)較佳。此外,得知:欲獲得Al彼此之良好的電性接著,尤其予以含有從20體積%以上至90體積%以下之氧化物玻璃(Al粒子之含有量係10體積%~80體積%)更佳。
使用依表1所製作之玻璃G29,而將在銲膏中含有之導電性金屬粒子變更成如表5,以與實施例1相同方式製作了銲膏(PB1~PB5)。將所製作之銲膏與實施例2同樣地測定剪斷強度、電阻,將結果一併顯示於表5。藉此,可判明:使用了任一金屬粒子之情況下,仍獲得剪斷
強度與電阻同時良好的結果。
將在實施例1~3所製作之銲膏PA4、PB1~PB5,與實施例1同樣地往Al基板形成塗膜後,在塗膜上載置半徑5mm高度2mm之Cu製圓柱,以成為1MPa之壓力的方式加重後,大氣中以300℃保持2分鐘後,與實施例2同樣地測定了剪斷強度與電阻。此結果,係任一樣品皆剪斷強度係合格,電阻係◎。根據以上,可得知:所製作之銲膏,係即使接合體為Al與Cu之異種材料仍可形成良好的接合。
使用在實施例1~3所製作之銲膏PA4、PB1~PB5,而進行鋁電線彼此之連接的檢討。於圖3繪示該示意圖。首先,將鋁線31之末端部被剝皮而露出之鋁導體32彼此,如圖3般扭擰而機械性簡易連接而構成連接部。之後,將前述製作之PA4、PB1~PB5之銲膏塗布於連接部之後,使用工業用脫水機而將連接部以300℃加熱數分鐘
而冷卻(燒成),構成了銲接部33。可確認:任一樣品在銲接部33之鋁電線彼此的電性連接皆係良好的。
與實施例5同樣地使用銲膏PA4、PB1~PB5,而進行鋁電線與銅電線之連接的檢討。此時,除了將與鋁線之連接的對偶材料變更為銅電線以外,係以與實施例5相同方式而製作。可確認:製作後之樣品任一者在銲接部之電性連接皆係良好的。此外,對於所製作之樣品,以與實施例1相同方式實施了高溫高濕度試驗。其結果,可確認:任一樣品在銲接部之電性連接的劣化率皆小,為良好的。
使用在實施例1~3所製作之銲膏PA4、PB1~PB5,而進行鋁電線與端子金屬配件之連接部的檢討。於圖4繪示與端子金屬配件之連接部的示意圖。首先,在鋁線31之末端部被剝皮而露出之鋁導體32,塗布所製作之銲膏PA4、PB1~PB5,藉工業用脫水機而以150℃乾操20秒鐘。之後,於端子金屬配件42之插入孔插入塗布了銲膏之鋁線的鋁導體32,壓接後,進一步藉工業用脫水機以250℃加熱約2分鐘,冷卻,如圖4般予以完成連接部。之後,將同樣地製作之鋁線彼此的端子金屬配件42彼此透過孔部43而連接的結果,可確認:任一樣品皆電性連接為良好的。41係表示被塗布,藉加熱而燒成之銲膏。
在本實施例係藉32、41、42而構成連接部。
此外,對於所製作之樣品,雖實施1000循環之在鹽霧氣氛中的通電循環試驗,但確認了:不見顯著的阻抗之增加。
以與實施例7同樣方式,準備進行了端子之連接的鋁線體,連接於另外準備之線束而進行電線束之動作確認。其結果,確認了:在連接部方面電性連接良好,正常動作。
圖5係使用本發明實施例之鋁線體而製作之馬達的構造圖。馬達1000,係由以下所構成:由固定於鐵製或鋁製之外殼100的磁性體所成之定子鐵芯200;捲繞於固定鐵心200之導電性的定子線圈400;由供以將定子鐵芯200與固定線圈400絕緣之非導電性構材所成之線圈骨架300;在定子200之內徑側以可旋轉的方式支持之轉子500;將定子線圈400之引出線集中,馬達之輸入線和Y結線之情況係供以作成中性點等的母線600;設置於馬達1000之輸入側的托架700;將輸入線802和繼電器開關801等集中之底座800。
上述之馬達的組裝程序係如下。經由以下程序而製造:於定子鐵芯200編入定子線圈之第1程序;之
後,將編入有定子線圈400之定子鐵芯200的圓周方向之複數位置壓入外殼100,獲得編入定子線圈400之定子鐵芯200固定於外殼100之構造體之第2程序;之後,以將定子鐵芯200、從定子鐵芯200之軸方向端部往軸方向突出之定子線圈400的線圈端部藉托架700或治具與外殼100而包圍的方式,將托架700或治具對於構造體安裝之第3程序。
或者,亦可採取經由以下程序而獲得藉模具材料而模具成型之構造體的製程:在第3程序後,在藉托架700或治具與外殼100而包圍時注入流體狀之模具材料,於線圈端部、定子鐵芯200之間隙、定子線圈400之間隙、定子鐵芯200與定子線圈400之間的間隙及定子鐵芯200與外殼100之間的間隙填充模具材料之第4程序;之後,使模具材料固化之第5程序;之後,經由將治具卸除之第6程序。
上述的馬達構成之中,定子線圈400係以鋁線構成,將該鋁線之末端,使用在實施例1~3所製作之銲膏PA4、PB1~PB5而以與實施例7相同方式連接於端子金屬配件42,構成為鋁線體。再者,藉將鋁線體之端子金屬配件42結線於母線600,製作了馬達。實施所製作之馬達的動作確認的情況下,可確認:在連接部方面電性連接良好,任一馬達皆無問題而動作。
Claims (14)
- 一種鋁線體,具備鋁或鋁合金之電線、被接合金屬、將前述電線與被接合金屬以銲料接合之連接部,特徵在於:前述連接部係藉包含含釩之氧化物玻璃與導電性粒子之銲料而接合,相對於前述氧化物玻璃與前述導電性粒子的合計量之前述氧化物玻璃的含有量係30體積%以上、90體積%以下。
- 如申請專利範圍第1項之鋁線體,其中,相對於前述氧化物玻璃與前述導電性粒子的合計量之前述導電性粒子的含有量,係70體積%以下。
- 如申請專利範圍第1項之鋁線體,其中,相對於前述氧化物玻璃與前述導電性粒子的合計量之前述氧化物玻璃,係超過40%體積、90體積%以下。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,前述氧化物玻璃,係在氧化物換算下包含40%質量以上之Ag2O,玻璃轉移點為180℃以下。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,前述氧化物玻璃,係進一步包含Te、P、Fe、K、W、Ba、Sb中之1種以上。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,導電性粒子,係含有至少1種以上之從鋁或鋁合金粒子、銅或銅合金粒子、銀或銀合金粒子、錫或錫合金粒 子、鋅或鋅合金粒子所選擇之導電性粒子。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,前述銲料,係在粉末狀、膏狀、線狀、薄片狀之任一形態下供給至前述連接部,藉燒成而將前述電線與被接合金屬接合。
- 如申請專利範圍第7項之鋁線體,其中,前述膏狀之銲料,係包含:從鋁或鋁合金粒子、銅或銅合金粒子、銀或銀合金粒子、錫或錫合金粒子、鋅或鋅合金粒子所選擇之導電性粒子、含釩之氧化物玻璃、有機溶劑。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,前述電線與被接合金屬係鋁導體,在前述連接部將兩電線機械性連接之後,藉塗布粉末狀或膏狀之銲料而燒成以將前述鋁導體彼此接合。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,在前述連接部所燒成之銲料,係包含釩之氧化物相。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,在前述連接部所燒成之銲料,係包含釩之合金相。
- 如申請專利範圍第1或2項之鋁線體,其中,前述連接部之銲料,係至少包含銀、碲、磷之中的任1種。
- 一種馬達,具備外殼、配置於前述外殼內之定子線圈、配置於前述定子線圈之內側的轉子,特徵在於:將前述定子線圈以鋁線構成,將前述鋁線之末端以如 申請專利範圍第1~12項中任一項之鋁線體構成。
- 如申請專利範圍第13項之馬達,其中,於前述定子線圈之鋁線的末端作為被接合金屬而機械性接合端子金屬配件,藉塗布粉末狀或膏狀之銲料而燒成以將前述鋁線之末端與端子金屬配件接合。
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