WO2014168183A1 - 亜鉛合金の製造方法 - Google Patents

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徳二 奥村
脇坂 泰成
優仁 武藤
泰次 水田
泰成 水田
伸二 佐伯
博康 谷口
義明 伊藤
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本田技研工業株式会社
株式会社大阪合金工業所
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a zinc alloy used for a brazing material when joining an iron-based metal member and an aluminum-based metal member.
  • the metal Si powder can be melted while suppressing vaporization of the molten Zn.
  • Si has a specific gravity smaller than that of Zn, so when adding metal Si powder to the molten Zn, the metal Si powder floats near the liquid surface of the molten Zn and is evenly mixed. There is an inconvenience that it is difficult to do.
  • the present invention provides a method for producing a zinc alloy containing Si in Zn, which is obtained by heating and melting metal Zn in a crucible disposed in a heating furnace to obtain a molten Zn.
  • the step of melting the metal Si powder by heating the surface of the Zn melt covered with a carbonaceous material, and releasing the suppression of the floating of the metal Si powder by the floating suppression member,
  • a step of obtaining a billet by filling a molten mold of Zn—Si alloy into a mold and rapidly cooling the mold.
  • metal Si powder is added to the molten Zn, and the metal Si powder is melted.
  • the melting point is 1414 ° C., and the temperature exceeds 907 ° C., which is the boiling point of Zn.
  • the melting point of Si can be made lower than the boiling point of Zn.
  • the specific gravity of Si is 2.33, which is smaller than the specific gravity of Zn of 7.14. Accordingly, the metal Si powder is lighter than Zn and floats on the liquid surface in the molten Zn, and there is a concern that the metal Si powder is unevenly distributed near the liquid surface of the molten Zn.
  • a floating suppression member can be freely disposed in the crucible, and the floating of the metal Si powder is suppressed by the floating suppression member. Therefore, the metal Si powder can be melted without being unevenly distributed near the surface of the molten Zn.
  • the manufacturing method of the present invention heating is performed in a state where the liquid surface of the molten Zn is covered with the carbonaceous material, so that the volatilization of Zn can be prevented by the carbonaceous material.
  • the molten Zn—Si alloy is put into a copper mold and the outer peripheral surface of the copper mold is cooled rapidly by water cooling. Since the copper mold is excellent in thermal conductivity, the molten Zn—Si alloy is easy to cool, and the outer peripheral surface of the copper mold is more easily cooled. It can be suitably performed.
  • the metal Si powder in the range of 0.1 to 4.0% by mass to the total amount of the obtained Zn—Si alloy in the molten Zn.
  • the Zn—Si alloy having physical properties suitable as a brazing material can be obtained by adding the metal Si powder in the above range to the molten Zn.
  • the added amount of the metal Si powder is less than 0.1% by mass with respect to the total amount of Zn—Si alloy obtained, the Zn—Si alloy having physical properties suitable as a brazing material may not be obtained. Further, when the amount of the metal Si powder added exceeds 4.0% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy, the metal Si powder may not be dissolved at a temperature lower than the boiling point of Zn. .
  • the metal Si powder in a range of 0.1% by mass or more and less than 2.0% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy may be added to the molten Zn. Further preferred. When the added amount of the metal Si powder exceeds 2.0 mass% with respect to the total amount of the Zn—Si alloy obtained, Si segregation may occur. Therefore, by adding less than 2.0% by mass with respect to the total amount of the Zn-Si alloy that can be obtained by adding the metal Si powder, the segregation of Si is surely prevented, and the Zn having a uniform composition is provided. -Si alloy can be obtained.
  • the levitation suppression member is made of a material that does not react with the molten Zn, and supports an inner lid that is slidable along the inner peripheral surface of the crucible, and the inner lid. It is preferable to provide a rod that moves up and down.
  • the levitation suppressing member can reliably suppress levitation of the metal Si powder by including the above-described configuration.
  • the inner lid is configured to transmit only the molten Zn without transmitting the metal Si powder.
  • the inner lid having the above-described configuration for example, one having a mesh-like body having an opening smaller than the diameter of the metal Si powder or one having a plurality of through holes having a diameter smaller than the diameter of the metal Si powder is used. Can do.
  • the typical sectional view showing the composition of the heating furnace used for the manufacturing method of the present invention The graph which shows the relationship between a composition of a Zn-Si alloy, and a phase.
  • the typical sectional view showing the composition of the mold used for the manufacturing method of the present invention The graph which shows Si concentration distribution in the brazing material which consists of a Zn-Si alloy obtained by the manufacturing method of this invention.
  • the metal Zn for example, a metal having a purity of 99.98% and the balance made of inevitable impurities can be used.
  • the melting is performed by heating the metal Zn introduced into the crucible 2 by the induction heating coil 3 to a temperature not lower than the melting point (420 ° C.) of the Zn and lower than the boiling point (907 ° C.), for example, a melting temperature of 840 ° C. .
  • the molten Zn 4 can be obtained by melting the metal Zn in the crucible 2.
  • metal Si powder is added to the molten Zn 4 and melted.
  • the metal Si for example, a metal having a purity of 99.98% and the balance of inevitable impurities can be used.
  • Si alone has a melting point of 1414 ° C.
  • a melting point of less than 1414 ° C. can be obtained by using a Zn—Si alloy.
  • the amount of addition of the metal Si powder is less than 4.0% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy, so that the melting point of the obtained Zn—Si alloy is a temperature lower than 907 ° C. of the boiling point of Zn. And the melting temperature can be lowered below the boiling point of Zn.
  • the metal Si powder is added so that the amount is in the range of 0.1 to 4.0% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy. If the amount of metal Si powder added exceeds 4.0% by mass with respect to the total amount of Zn—Si alloy obtained, the melting temperature may exceed the boiling point of Zn, and Zn may vaporize and volatilize. Further, when the added amount of the metal Si powder is less than 0.1% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy, it is suitable as a brazing material when the obtained Zn—Si alloy is used as a brazing material. Some physical properties may not be obtained.
  • the addition amount of the metal Si powder is in the range of 0.1 to 4.0% by mass with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy, if the addition amount of the metal Si powder exceeds 2.0% by mass, In some cases, segregation of Si occurs, and a Zn—Si alloy having a uniform composition cannot be obtained.
  • the levitation suppressing member 5 includes an inner lid 7 that is slidable along the inner peripheral surface of the crucible 2 and a rod 8 that supports the inner lid 7 and moves up and down.
  • the rod 8 is connected to a driving means (not shown). ing.
  • the inner lid 7 and the rod 8 are made of a material that does not react with the molten Zn 4.
  • the inner lid 7 may be configured to transmit only the Zn molten metal 4 without transmitting the metal Si powder 6.
  • the inner lid 7 may have a mesh-like body or a plurality of through holes having a smaller diameter than the metal Si powder 6. Can be used.
  • the surface of the molten Zn 4 is covered with a carbonaceous material 9 such as charcoal.
  • a billet is produced by filling a copper mold 12 with a molten Zn-Si alloy 11 having a temperature of 750 ° C., for example.
  • the copper mold 12 has a bottomed cylindrical shape, and its outer peripheral surface can be water-cooled by water sprayed from a showering device 13 disposed along the outer periphery.
  • the molten Zn-Si alloy 11 is filled in the copper mold 12 and the outer peripheral surface of the copper mold 12 is water-cooled with water sprayed from the showering device 13, thereby rapidly cooling the molten Zn-Si alloy 11.
  • the Zn—Si alloy billet can be made into a brazing material by hot extrusion from a die having a predetermined diameter.
  • the metal Si powder 6 is added to the molten Zn 4 so as to be 1.0 mass% with respect to the total amount of the obtained Zn—Si alloy, and the Zn—Si alloy is added.
  • a billet was made.
  • the Zn—Si alloy billet was hot-extruded from a die having a diameter of 3.2 mm at a temperature of 100 ° C. to produce a plurality of brazing materials having a diameter of 3.2 mm and a length of 2.0 m.

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Abstract

 均一な組成のZn-Si合金が得られる亜鉛合金の製造方法を提供する。 加熱炉1に配設された坩堝2内で金属Znを溶融してZn溶湯4を得る。浮上抑制部材5によりZn溶湯4に添加した金属Si粉末6の浮上を抑制する。Zn溶湯4の液面を炭素質材料9で被覆して加熱することで金属Si粉末6を溶融する。金属Si粉末6の浮上抑制を解除し、溶融したSiをZn溶湯4中に分散させて得られたZn-Si合金溶湯11を銅製鋳型12に充填し急冷してビレットを得る。

Description

亜鉛合金の製造方法
 本発明は、鉄系金属部材とアルミニウム系金属部材とを接合する際のロウ材に用いられる亜鉛合金の製造方法に関する。
 従来、鋼等の鉄系金属部材とアルミニウム合金等のアルミニウム系金属部材との間に亜鉛又は亜鉛合金を介在させて加熱することにより、両部材を接合する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
 また、前記亜鉛合金として、Zn-Si合金からなるロウ材を用いることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特許第4962907号公報 特開2010-99739号公報
 しかしながら、前記Zn-Si合金を製造しようとするとき、Siの融点は1414℃であり、Znの沸点は907℃であるので、金属Si粉末を加熱して溶融させると、その熱によりZn溶湯が気化して、Znが失われてしまうという不都合がある。
 一方、Zn溶湯に対する金属Siの添加量を調整すればZn溶湯の気化を抑制しつつ金属Si粉末を溶融させることが可能となる。しかし、この場合にも、SiはZnより比重が小さく軽いため、Zn溶湯に金属Si粉末を添加したときに金属Si粉末がZn溶湯の液面近くに浮上して偏在してしまい、均一に混合することが難しいという不都合がある。
 本発明は、かかる不都合を解消して、均一な組成を備えるZn-Si合金を得ることができる亜鉛合金の製造方法を提供することを目的とする。
 かかる目的を達成するために、本発明は、Zn中にSiを含有する亜鉛合金の製造方法であって、加熱炉に配設された坩堝内で金属Znを加熱して溶融してZn溶湯を得る工程と、該Zn溶湯にZnの沸点以下の温度で溶融可能な量の金属Si粉末を添加し、該坩堝内に配設自在とされた浮上抑制部材により該金属Si粉末の浮上を抑制すると共に、該Zn溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱して該金属Si粉末を溶融する工程と、該浮上抑制部材による該金属Si粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したSiを該Zn溶湯中に分散させてZn-Si合金の溶湯を得る工程と、該Zn-Si合金の溶湯を鋳型に充填して急冷することによりビレットを得る工程とを備えることを特徴とする。
 本発明の製造方法では、まず、加熱炉に配設された坩堝内で金属Znを溶融する。このとき、前記坩堝内に存在する物質はZnと不可避的不純物とであり、実質的にZnのみと見なすことができるので、前記加熱炉により該坩堝内を加熱して、Znの融点である420℃以上の温度とすることにより金属Znを溶融することができ、Zn溶湯が得られる。
 次に、前記Zn溶湯に金属Si粉末を添加し、該金属Si粉末を溶融させる。ここで、Si単独であれば融点は1414℃であり、Znの沸点である907℃を超える温度となる。しかし、Zn-Si合金とすることによりSiの融点をZnの沸点より低い温度とすることができる。
 そこで、本発明の製造方法では、Znとの合金を形成することによりZnの沸点以下の温度で溶融可能な量のSiを前記Zn溶湯に添加する。
 このとき、Siはその比重が2.33であり、Znの比重7.14に比べて小さい。従って、金属Si粉末は、Znより軽く、前記Zn溶湯中で液面に浮上し、該金属Si粉末がZn溶湯の液面付近に偏在することが懸念される。しかし、本発明の製造方法では、前記坩堝内に浮上抑制部材を配設自在とし、該浮上抑制部材により前記金属Si粉末の浮上を抑制する。従って、前記金属Si粉末をZn溶湯の液面付近に偏在させることなく溶融させることができる。
 また、このとき、前記Zn溶湯が部分的に過熱されると、該Zn溶湯の温度がZnの沸点を超える。従って、前記Zn溶湯が気体となって揮散され、Znが失われることが懸念される。しかし、本発明の製造方法では、Zn溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱するので、該炭素質材料によりZnの揮散を防止することができる。
 次に、前記金属Si粉末が溶融したならば、前記浮上抑制部材による該金属Si粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したSiを前記Zn溶湯中に分散させる。この結果、Zn-Si合金の溶湯を得ることができる。
 次に、前記Zn-Si合金の溶湯を鋳型に充填することによりビレットを得る。このとき、前述のようにSiはその比重が2.33であり、Znの比重7.14に比べて小さいので、Siが偏析する虞がある。そこで、本発明の製造方法では、鋳型に充填された前記Zn-Si合金の溶湯を急冷することにより、Siの偏析を阻止して均一な組成を備えるZn-Si合金を得ることができる。
 また、本発明の製造方法では、前記Zn-Si合金の溶湯を銅製鋳型に投入し、該銅製鋳型の外周面を水冷することにより急冷することが好ましい。前記銅製鋳型は熱伝導性に優れているので前記Zn-Si合金の溶湯が冷却され易く、その外周面を水冷することにより前記Zn-Si合金の溶湯がさらに冷却され易くなるので、前記急冷を好適に行うことができる。
 また、本発明の製造方法では、前記Zn溶湯に、得られるZn-Si合金の全量に対して0.1~4.0質量%の範囲の前記金属Si粉末を添加することが好ましい。前記Zn溶湯に、前記範囲の前記金属Si粉末を添加することにより、ロウ材として好適な物性を備える前記Zn-Si合金を得ることができる。
 前記金属Si粉末の添加量が得られるZn-Si合金の全量に対して0.1質量%未満では、ロウ材として好適な物性を備える前記Zn-Si合金を得ることができないことがある。また、前記金属Si粉末の添加量が得られるZn-Si合金の全量に対して4.0質量%を超えると、Znの沸点未満の温度で該金属Si粉末を溶解させることができないことがある。
 また、本発明の製造方法では、前記Zn溶湯に、得られるZn-Si合金の全量に対して、0.1質量%以上2.0質量%未満の範囲の前記金属Si粉末を添加することがさらに好ましい。前記金属Si粉末の添加量が得られるZn-Si合金の全量に対して、2.0質量%を超えると、Siの偏析が起きることがある。そこで、前記金属Si粉末の添加量を得られるZn-Si合金の全量に対して、2.0質量%未満とすることにより、確実にSiの偏析を防止して、均一な組成を備える前記Zn-Si合金を得ることができる。
 また、本発明の製造方法では、前記浮上抑制部材は、前記Zn溶湯と反応しない素材により構成され、前記坩堝の内周面に沿って摺動自在の中蓋と、該中蓋を支持して上下動させるロッドとを備えることが好ましい。前記浮上抑制部材は、前記構成を備えることにより、前記金属Si粉末の浮上を確実に抑制することができる。
 このとき、前記中蓋は、前記金属Si粉末は透過させず、Zn溶湯のみを透過させる構成となっていることが好ましい。前記構成を備える前記中蓋として、例えば、前記金属Si粉末の径より小さい目開きを有するメッシュ状体からなるもの、又は前記金属Si粉末の径より小径の複数の貫通孔を備えるものを用いることができる。
 また、本発明の製造方法では、前記炭素質材料として、例えば木炭を用いることができる。
本発明の製造方法に用いる加熱炉の構成を示す模式的断面図。 Zn-Si合金の組成と相との関係を示すグラフ。 本発明の製造方法に用いる鋳型の構成を示す模式的断面図。 本発明の製造方法により得られたZn-Si合金からなるロウ材におけるSi濃度分布を示すグラフ。
 次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
 本実施形態の製造方法では、まず、図1に示す加熱炉1に配設された坩堝2内で金属Znを溶融する。加熱炉1は、円筒状に配置された誘導加熱コイル3を備え、誘導加熱コイル3の内周側に所定の間隔を存して有底円筒状の坩堝2が配設されている。坩堝2としては、例えば黒鉛製のものを用いることができる。
 金属Znとしては、例えば純度99.98%であり、残部が不可避的不純物からなるものを用いることができる。前記溶融は、誘導加熱コイル3により坩堝2内に投入された金属Znを、Znの融点(420℃)以上、沸点(907℃)未満の温度、例えば840℃の溶融温度に加熱することにより行う。この結果、坩堝2内の金属Znを溶融して、Zn溶湯4を得ることができる。
 次に、Zn溶湯4に、金属Si粉末を添加し、溶融する。金属Siとしては、例えば純度99.98%であり、残部が不可避的不純物からなるものを用いることができる。
 ここで、Siは、単独であればその融点は1414℃であるが、図2に示すように、Zn-Si合金とすることによりその融点を1414℃未満の温度にすることができる。また、金属Si粉末の添加量を、得られるZn-Si合金の全量に対して4.0質量%未満とすることにより、得られるZn-Si合金の融点をZnの沸点の907℃未満の温度とすることができ、溶融温度をZnの沸点以下に低下させることができる。
 そこで、本実施形態では、得られるZn-Si合金の全量に対して0.1~4.0質量%の範囲の量となるように、金属Si粉末を添加する。金属Si粉末の添加量が得られるZn-Si合金の全量に対して4.0質量%を超えると、溶融温度がZnの沸点を超え、Znが気化して揮散することがある。また、金属Si粉末の添加量が得られるZn-Si合金の全量に対して0.1質量%未満であると、得られたZn-Si合金をロウ材としたときに、ロウ材として好適な物性を得ることができないことがある。
 尚、得られるZn-Si合金の全量に対する金属Si粉末の添加量が0.1~4.0質量%の範囲であっても、金属Si粉末の添加量が2.0質量%を超えると、Siの偏析が起き、均一な組成を備えるZn-Si合金を得ることができないことがある。
 Zn溶湯4に金属Si粉末を添加するとき、Siはその比重が2.33であり、Znの比重7.14に比べて小さい。従って、前記金属Si粉末がZn溶湯4の液面に浮上し、Zn溶湯4の液面付近に偏在することが懸念される。そこで、図1に示すように、坩堝3内に浮上抑制部材5を配設し、Zn溶湯4に添加した金属Si粉末6の浮上を防止する。
 浮上抑制部材5は、坩堝2の内周面に沿って摺動自在の中蓋7と、中蓋7を支持して上下動させるロッド8とを備え、ロッド8は図示しない駆動手段に接続されている。中蓋7及びロッド8はZn溶湯4と反応しない素材により構成されている。また、中蓋7は金属Si粉末6は透過させず、Zn溶湯4のみを透過させる構成となっていればよく、例えばメッシュ状体又は金属Si粉末6より小径の複数の貫通孔を備えるものを用いることができる。
 浮上抑制部材5によれば、Zn溶湯4に金属Si粉末6を添加した後、中蓋7を坩堝2内に浸漬してロッド8により押し下げることにより、金属Si粉末6の浮上を防止して、Zn溶湯4の下方に位置させることができる。この結果、金属Si粉末6をZn溶湯4の液面付近に偏在させることなく溶融させることができる。
 また、このとき、Zn溶湯4の液面は、木炭等の炭素質材料9により被覆されている。このようにすることにより、Zn溶湯4が部分的に過熱されて、Zn溶湯4の温度がZnの沸点を超えたときにも、Zn溶湯4が気体となってZnが揮散することを防止することができる。
 次に、金属Si粉末6が溶融したならば、中蓋7をロッド8により上昇させて、金属Si粉末6の浮上の抑制を解除し、溶融したSiをZn溶湯4中に分散させる。この結果、Zn-Si合金溶湯を得ることができる。
 次に、図3に示すように、例えば750℃の温度のZn-Si合金溶湯11を、銅製鋳型12に充填することによりビレットを作製する。銅製鋳型12は有底円筒状であり、外周に沿って配設されたシャワリング装置13から噴射される水により、その外周面を水冷することができる。
 そこで、Zn-Si合金溶湯11を銅製鋳型12に充填すると共に、シャワリング装置13から噴射される水により銅製鋳型12の外周面を水冷することにより、Zn-Si合金溶湯11を急冷する。このようにすることにより、Zn-Si合金溶湯11からSiが析出することを防止することができ、各部分のSi濃度が均一となっているZn-Si合金製ビレットを得ることができる。前記Zn-Si合金製ビレットは、所定の径のダイから熱間押出することによりロウ材とすることができる。
 次に、本実施形態の製造方法において、Zn溶湯4に金属Si粉末6を、得られるZn-Si合金の全量に対して1.0質量%となるように添加して、前記Zn-Si合金製ビレットを作製した。次に、前記Zn-Si合金製ビレットを直径3.2mmのダイから、100℃の温度下に熱間押出し、直径3.2mm、長さ2.0mの複数のロウ材を作製した。
 前記のようにして作製した複数のロウ材から3本を無作為に抽出し、各ロウ材の先端部、中央、後端部の3か所について、Si濃度を測定した。図4に、3本のロウ材のSi濃度をそれぞれ△、○、●として示す。
 図4から、前記各ロウ材は、先端部、中央、後端部の3か所のSi濃度が、いずれも1.0±0.3質量%の範囲に分布していることが明らかである。従って、本実施形態の製造方法によれば、均一な組成を備え、ロウ材として好適な物性を備えるZn-Si合金を得ることができることが明らかである。
 1…加熱炉、 2…坩堝、 4…Zn溶湯、 5…浮上抑制部材、 6…金属Si粉末、 9…炭素質材料、 11…Zn-Si合金溶湯、 12…銅製鋳型、 13…シャワリング装置。

Claims (8)

  1.  Zn中にSiを含有する亜鉛合金の製造方法であって、
     加熱炉に配設された坩堝内で金属Znを加熱して溶融してZn溶湯を得る工程と、
     該Zn溶湯にZnの沸点以下の温度で溶融可能な量の金属Si粉末を添加し、該坩堝内に配設自在とされた浮上抑制部材により該金属Si粉末の浮上を抑制すると共に、該Zn溶湯の液面を炭素質材料により被覆した状態で加熱して該金属Si粉末を溶融する工程と、
     該浮上抑制部材による該金属Si粉末の浮上の抑制を解除し、溶融したSiを該Zn溶湯中に分散させてZn-Si合金の溶湯を得る工程と、
     該Zn-Si合金の溶湯を鋳型に充填して急冷することによりビレットを得る工程とを備えることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  2.  請求項1記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Zn-Si合金の溶湯を銅製鋳型に投入し、該銅製鋳型の外周面を水冷することにより急冷することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  3.  請求項1記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Zn溶湯に、得られるZn-Si合金の全量に対して0.1~4.0質量%の範囲の前記金属Si粉末を添加することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  4.  請求項3記載の亜鉛合金の製造方法において、前記Zn溶湯に、得られるZn-Si合金の全量に対して0.1質量%以上2.0質量%未満の範囲の前記金属Si粉末を添加することを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  5.  請求項1記載の亜鉛合金の製造方法において、前記浮上抑制部材は、前記Zn溶湯と反応しない素材により構成され、前記坩堝の内周面に沿って摺動自在の中蓋と、該中蓋を支持して上下動させるロッドとを備えることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  6.  請求項5記載の亜鉛合金の製造方法において、前記中蓋は前記金属Si粉末の径より小さい目開きを有するメッシュ状体からなることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  7.  請求項5記載の亜鉛合金の製造方法において、前記中蓋は前記金属Si粉末の径より小径の複数の貫通孔を備えることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
  8.  請求項1記載の亜鉛合金の製造方法において、前記炭素質材料は木炭であることを特徴とする亜鉛合金の製造方法。
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