JPH10172817A - 永久磁石材料、ボンド磁石およびモータ - Google Patents
永久磁石材料、ボンド磁石およびモータInfo
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Abstract
し、そのばらつきが極めて小さい永久磁石材料を提供す
る。 【解決手段】 一般式 R1x R2y Az Ou Bv M
100-x-y-z-u-v 、ただし、R1は少なくとも一種の希土
類元素(Yを含む)、R2はZr、Hf及びScから選
ばれる少なくとも一種の元素、AはH、N、C及びPか
ら選ばれる少なくとも一種の元素、MはFeおよびCo
の少なくとも1つの元素、x、y、z、uおよびvは原
子%でそれぞれ2≦x、0.01≦y、4≦x+y≦2
0、0.001≦z≦10、0.01≦u≦2、0<v
≦10を示す、にて表され、主相がTbCu7 型結晶構
造を有することを特徴とする。
Description
ド磁石およびこのボンド磁石を用いたモータに関する。
m−Co系磁石、Nd−Fe−B系磁石などが知られて
おり、現在量産化が進められている。これらの磁石には
FeまたはCoが多量に含まれ、飽和磁束密度の増大に
寄与している。また、これらの磁石中の希土類元素は、
結晶場中における4f電子の挙動に由来する非常に大き
な磁気異方性をもたらす。これにより保磁力の増大化が
図られ、高性能な磁石が実現されている。このような高
性能磁石は主としてスピーカー、モータ、計測器などの
電気機器に使用されている。
り、それに応えるために前記永久磁石の最大磁気エネル
ギー積を向上し、より高性能の永久磁石が求められてい
る。これに対し本発明者らは、TbCu7 相を主相とす
る永久磁石材料を提案した(特願平4−277474
号)。このようなTbCu7 相を主相とする永久磁石材
料は、飽和磁束密度の高く、優れた磁気特性を有するも
のの、特に材料中にH、N、C、Pのような侵入型元素
を含有する場合、製造条件によって磁気特性が大きくば
らつく。磁気特性のばらつきは、永久磁石材料を工業的
に大量生産した場合、磁気特性のばらつきが平均化され
ることにより、結果的に磁気特性が低下するという多大
な問題を生じる。
Cu7 相で、高い磁気特性を有し、そのばらつきが極め
て小さい永久磁石材料を提供しようとするものである。
また、本発明は前記永久磁石材料とバインダを含む磁気
特性が高く、かつ安定したボンド磁石を提供しようとす
るものである。さらに、本発明は前記ボンド磁石をロー
タまたはステータの部品として備える高性能のモータを
提供しようとするものである。
材料は、一般式 R1x R2y Az Ou Bv M100-x-y-z-u-v ただし、R1は少なくとも一種の希土類元素(Yを含
む)、R2はZr、Hf及びScから選ばれる少なくと
も一種の元素、AはH、N、C及びPから選ばれる少な
くとも一種の元素、MはFeおよびCoの少なくとも1
つの元素、x、y、z、uおよびvは原子%でそれぞれ
2≦x、0.01≦y、4≦x+y≦20、0.001
≦z≦10、0.01≦u≦2、0<v≦10を示す、
にて表され、主相がTbCu7 型結晶構造を有すること
を特徴とするものである。
で表され、主相がTbCu7 型結晶構造を有する永久磁
石材料とバインダとを含むことを特徴とするものであ
る。本発明に係わるモータは、前記ボンド磁石からなる
ロータまたはステータの部品を備えることを特徴とする
ものである。
本発明の永久磁石材料は、一般式 R1x R2y Az Ou Bv M100-x-y-z-u-v ただし、R1は少なくとも一種の希土類元素(Yを含
む)、R2はZr、Hf及びScから選ばれる少なくと
も一種の元素、AはH、N、C及びPから選ばれる少な
くとも一種の元素、MはFeおよびCoの少なくとも1
つの元素、x、y、z、uおよびvは原子%でそれぞれ
2≦x、0.01≦y、4≦x+y≦20、0.001
≦z≦10、0.01≦u≦2、0<v≦10を示す、
にて表され、主相がTbCu7 型結晶構造を有する。
大の相で、前記TbCu7 型結晶構造を有する主相は磁
気特性を担うものである。このため、本発明の永久磁石
材料中の主相の含有比率が低下すると、主相の特性が反
映されないため、少なくとも50体積%以上の含有比率
を有することが望まれる。
る各成分の働きおよび各成分の配合量を規定した理由に
ついて詳細に説明する。 (1−1)R1元素 R1元素である希土類元素としては、La、Ce,P
r、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Lu、Yが挙げられ、これらは1種または2
種以上の混合物で使用される。R1元素は、前記永久磁
石材料に大きな磁気異方性をもたらし、高い保磁力を付
与する。特に、R1元素は50原子%以上がSmである
ことが好ましい。この場合、Sm以外の残部はPr、N
d、Ceであることが好ましい。
異方性の低下が著しく大きな保磁力を有する永久磁石材
料を得ることが困難になる。一方、前記R1元素が過剰
に配合されると、永久磁石材料の磁化が低下する。した
がって、R1元素含有量xは4≦x≦16であることが
好ましい。より好ましいR1元素含有量xは、6≦x≦
12である。
る少なくとも1つの元素を用いることができる。このよ
うなR2元素は、主として主相の希土類サイトを占有
し、希土類サイトの平均原子半径を低減させるなどの作
用により、主相であるTbCu7 型相中のFeおよびC
o濃度を高めることが可能になる。また、これらの元素
はTbCu7 相の結晶粒を微細化する働きを有し、保磁
力および残留磁化の向上に有用である。好ましいR2元
素の含有量yは、0.1≦y、さらに好ましくは1≦y
≦3である。
原子%未満にするとα−Fe(Co)の析出が著しくな
り、大きな保磁力を有する永久磁石材料を得ることが困
難になる。一方、R1元素及びR2元素の合計量が20
原子%を超えると永久磁石材料の磁化が低下する。より
好ましいR1元素及びR2元素の合計含有量(x+y)
は、4≦x+y≦16である。
の元素である。前記A元素は、主として主相の格子間位
置に存在し、前記A元素を含まない場合と比較して前記
主相のキュリー温度、磁気異方性を向上させる働きを有
する。このうち、磁気異方性の向上は、永久磁石材料に
大きな保磁力を付与するために重要である。
揮されるが、20原子%を超えるとα−Fe(Co)の
析出が多くなる。より好ましいA元素の含有量zは、2
≦u≦20、更に好ましくは5≦z≦10である。
永久磁石材料を再現性よく得るために有効な元素であ
る。酸素の含有量を0.01原子%未満にすると、その
効果を十分に達成することが困難になる。一方、酸素の
含有量が2原子%を超えると永久磁石材料に占める酸化
物相の割合が増大して磁気特性を劣化させる恐れがあ
る。より好ましい酸素の含有量uは、0.1≦u≦1.
5である。
有効な元素である。硼素の含有量が10原子%を超える
とR2 Fe14B相の生成が顕著になり、永久磁石材料の
磁気特性が劣化する恐れがある。より好ましい硼素の含
有量vは、0.01≦v≦4、さらに好ましくは0.1
≦v≦3である。
の元素であり、永久磁石材料の飽和磁束密度を増大させ
る働きを有する。飽和磁束密度の増大は、残留磁束密度
の増大をもたらし、これに伴って最大エネルギー積も増
大する。前記M元素は、永久磁石材料中に70原子%以
上含有されることにより効果的に飽和磁束密度が増大さ
れる。より一層飽和磁束密度を増大させるためには、前
記M元素の総量の50%以上がFeで占めることが好ま
しい。
有されることが好ましい。前記主相中のM元素濃度を増
大させると、永久磁石材料の飽和磁束密度が増大され、
磁気特性がさらに向上される。前記主相中のM元素の濃
度を90原子%以上にすると、前記効果が顕著に現れ
る。
e、Ga、V、Ta、Mo、Nb、Sn、Cr、W、M
n、Cu、AgおよびNiから選ばれる少なくとも1つ
の元素(T元素)で置換することを許容する。このよう
なT元素の置換により、永久磁石材料全体に占める主相
の割合を増加させたり、主相中のMおよびTの総量を増
加させることが可能になる。また、永久磁石材料の保磁
力を増大させることが可能になる。ただし、前記T元素
でM元素を多量に置換すると、飽和磁束密度の低下を招
く。このため、T元素の置換量は原子%でM元素の20
%以下にすることが望ましい。
どの不可避的不純物を含有することを許容する。本発明
に係わる永久磁石材料において、前記主相の格子定数
a、cの比c/aは0.847以上であることが好まし
い。前記c/aの増大に伴い、永久磁石材料の飽和磁束
密度が増大し、磁気特性を向上させることができる。こ
のような効果は、c/aが0.847以上の永久磁石材
料において特に顕著である。前記c/aの値は、永久磁
石材料を構成する成分の比率または製造方法により制御
される。
に説明する。 (2−1)所定量の各元素および必要に応じて前記M元
素の一部を置換するT元素を含有するインゴットをアー
ク溶解または高周波溶解にて調製する。このインゴット
を小片に切り出し、所定量の硼素(B)とともに高周波
誘導加熱等により溶融した後、溶湯を高速で回転する単
ロール上に噴出して急冷薄帯を製造する。インゴット中
に予め硼素を含有させ、この溶湯から急冷薄帯を製造す
ることも可能である。
かに双ロール法、回転ディスク法、ガスアトマイズ法な
どの手段を用いてもよい。 (2−2)所定量のR1、R2、B、Mの各元素および
必要に応じて前記M元素の一部を置換するT元素の各原
料粉末の混合体に機械的エネルギーを付与し、固相反応
により合金化させるメカニカルアロイング法またメカニ
カルグラインディング法により永久磁石材料を製造す
る。
て、急冷工程および固相反応工程をAr、Heなどの不
活性ガス雰囲気で行うことが望ましい。このような雰囲
気で急冷または固相反応させることによって、酸化によ
る磁気特性の劣化が防止された永久磁石材料を製造する
ことが可能になる。
に応じてAr、Heなどの不活性ガス雰囲気中または真
空中、300〜1000℃で0.1〜10時間の熱処理
が施されることを許容する。このような熱処理を施すこ
とにより、保磁力等の磁気特性を向上させたりすること
が可能になる。
元素としてNを配合する場合には、前記(2−1)、
(2−2)の方法で得られた合金材料をボールミル、ブ
ラウンミル、スタンプミル、ジェットミル等によって平
均粒径数μm〜数100μmに粉砕し、この合金粉末を
窒素ガス雰囲気中で熱処理(窒化処理)することにより
永久磁石材料を製造する。ただし、前記(2)の方法の
ようにメカニカルアロイング法またはメカニカルグライ
ンディング法で製造された合金材料は粉末状態であるた
め前記粉砕工程を省略することも可能である。
の窒素ガス雰囲気中、200〜700℃の温度下で行う
ことが好ましい。このような圧力および温度下での窒化
処理は、0.1〜300時間行えばよい。
てアンモニア等の窒素化合物ガスを用いてもよい。この
アンモニアの使用により、窒化反応速度を高めることが
可能になる。この場合、水素、アルゴン等のガスを同時
に用いることにより、窒化反応速度を抑制することも可
能である。
100気圧の水素ガス雰囲気中、100〜700℃の温
度下で熱処理を行うか、または窒素ガスに水素を混合し
たガスを用いることにより、高効率の窒化を行うことが
可能になる。
インゴットを製造する際および超急冷の処理を行う際の
合金溶融時、固相反応時、前記不活性ガス雰囲気中また
は真空中の熱処理時、粉砕時、前記窒化処理時において
溶融炉や試料容器内の酸素量を調節することにより制御
することができる。また、酸素含有雰囲気にて100〜
400℃の温度下で熱処理を行うことにより永久磁石材
料中に酸素を含有させることが可能である。この場合、
材料粉末の粒径、熱処理時の温度、時間、酸素濃度によ
って永久磁石材料中の酸素含有量を制御することができ
る。さらに、前記製造工程で得られた合金材料が粉末状
態である場合には、粉砕後の各工程間で大気に曝される
時間を調節することにより永久磁石材料中の酸素含有量
を制御することができる。
は、前記一般式R1x R2y Az Ou Bv M
100-x-y-z-u-v で表わされ、x、y、z、uおよびvが
特定の原子%で示され、主相がTbCu7 型結晶構造を
有する。このように永久磁石材料中に硼素(B)を添加
することにより残留磁束密度等の磁気特性を著しく向上
することができる。
個々の結晶粒が独立に振る舞う場合には一般的に飽和磁
束密度(Bs)に対する残留磁束密度(Br)の比率
(Br/Bs)が0.5を越えない。ただし、微細化し
た結晶粒が結晶粒界を介して交換相互作用により結合す
ると、等方性の永久磁石材料であっても前記Br/Bs
が0.5を超える場合がある。
を含む前記一般式で示される本発明に係わる永久磁石材
料は、結晶粒間の交換相互作用が増大されるため、残留
磁束密度が向上される。これは、次に説明する硼素の挙
動によるものと考えられる。硼素は、例えばTbCu7
相のインタースティシャル位置に侵入したり、希土類元
素、遷移金属元素と結合して粒界相を形成するなどの形
で永久磁石材料中に取り込まれる。このような永久磁石
材料中への硼素の取り込みは、結晶粒界を微細化する、
粒界構造に影響を与える等により結晶粒間の交換相互作
用を増強して前記Br/Bsが0.5を超える性質を発
現でき、永久磁石材料の残留磁束密度を向上することが
できる。
にH、N、C、Pのような侵入型元素を含有する場合、
製造条件によって磁気特性が大きくばらつく。このよう
な磁気特性のばらつきの原因の一つは、磁石材料中にお
ける侵入型元素の不均一性が挙げられる。本発明のよう
に磁石材料中に所定量の酸素を含有させることによっ
て、磁気特性のばらつきを著しく抑制して磁気特性を安
定化できる。
明らかではないが、酸素の一部は永久磁石材料の製造過
程における溶融、粉砕工程等において他の磁石材料成分
と結合して酸化物を生成し、結晶粒界や表面に偏析して
存在しているものと考えられる。このような酸化物は、
前記侵入型元素の均一分散を促進し、永久磁石材料の磁
気特性の安定性を向上させるものと推定される。
石材料の粉末とバインダと混合し、圧縮成形または射出
成形することにより得られる。前記バインダは、例えば
エポキシ樹脂、ナイロン等の合成樹脂を用いることがで
きる。前記合成樹脂としてエポキシ樹脂のような熱硬化
性樹脂を用いる場合には、圧縮成形後、100〜200
℃の温度でキュア処理を施すことが好ましい。前記合成
樹脂としてナイロンのような熱可塑性樹脂を用いる場合
には、射出成形法を用いることが望ましい。
て合金粉末の結晶方位を揃えることにより、高磁束密度
を有するボンド磁石を得ることが可能になる。前記バイ
ンダとして低融点金属または低融点合金を用いてメタル
ボンド磁石を製造することも可能である。前記低融点金
属としては、例えばAl、Pb、Sn、Zn、Cu、M
gなどの金属を挙げることができ、前記合金は前記金属
の合金を用いることができる。
たは熱間静水圧プレス(HIP)により高密度の成形体
として一体化することにより永久磁石を製造することも
可能である。この加圧工程において、磁場を印加して前
記合金粉末結晶方位を揃えることにより、高磁束密度を
有する永久磁石を製造できる。また、前記加圧工程後に
300〜700℃の温度で加圧しながら塑性変形加工を
施すことにより、前記合金粉末が磁化容易軸方向に配向
した永久磁石を製造することが可能になる。
とにより永久磁石を製造することも可能である。以上説
明した本発明に係わるボンド磁石は、前述したように高
い磁気特性を有し、そのばらつきが極めて小さい永久磁
石材料を含むため、安定した高い磁気特性を有する。
からなるロータまたはステータの部品を備える。このよ
うなモータの例としてスピンドルモータがある。このス
ピンドルモータは、例えばボンド磁石からなる円筒体、
およびこの円筒体の片側開口部に固定され、前記円筒体
の内部側にそれと同心円状に突起されたスピンドルを有
する円板を備えたロータと、前記円筒体内に配置され、
前記スピンドルに軸支されると共に前記円筒体とは別の
支持部材で支持された電磁石とから構成されている。前
記ボンド磁石からなる円筒体は、着磁により厚さ方向に
N、S極を有する複数の所望角度の円弧部に区画され、
かつ隣接する円弧部のN、S極が互いに逆になるように
配列されている。
記ボンド磁石からなる円筒体に配置された電磁石のN、
S極を切り替えることによって磁力の作用により前記円
筒体が回転され、結果として前記円筒体に固定された円
板から突出されたスピンドルが回転される。
であるスピンドルモータは、前述した安定した高い磁気
特性を有するボンド磁石からなるロータまたはステータ
の部品を備えているため、小形化と高性能化が達成され
る。このため、ハード・ディスクドライブやCD−RO
Mの駆動源として有効に利用することができる。
e、Zr、Hf、Co、Mo、Ga、Al、Ni、C
u、B、P、Feの各原料を混合し、アルゴン雰囲気中
で高周波溶解した後、鋳型に注入して5種のインゴット
を調製した。つづいて、これらのインゴットを石英製の
ノズルに装填し、アルゴンガス雰囲気中で高周波誘導加
熱により溶融した後、溶湯を周速45m/sで回転する
直径300mmの銅製の単ロール上に噴出して合金薄帯
を作製した。ひきつづき、これらの合金薄帯をアルゴン
雰囲気中、700℃で30分間熱処理した。
X線回折にて調べた。その結果、回折パターン上、微小
なα−Feの回折ピークの他はすべての回折ピークが六
方晶系のTbCu7 型結晶構造にて指数付けされ、Tb
Cu7 相が主相をなすことが確認された。また、X線回
折の結果より、TbCu7 相の格子定数はa=0.48
53nm、c=0.4184nmと評価でき、格子定数
比c/aは0.8621であることがわかった。
いて粉砕し、平均粒径20〜30μmの合金粉末を作製
した。これらの合金粉末を大気中、150℃で10分間
熱処理した後、150気圧の窒素ガス雰囲気中、440
℃で80時間熱処理することにより5種の永久磁石材料
を製造した。
脂を2重量%それぞれ添加し、混合した後、1000M
Paの圧力で圧縮成形し、さらに150℃で2.5時間
のキュアを施すことにより5種のボンド磁石を製造し
た。
一製造工程で5回、各永久磁石材料およびボンド磁石を
製造した。前記窒化処理後の各永久磁石材料について粉
末X線回折を行ったところ、いずれもTbCu7 型結晶
構造が主相であることが確認された。
Sm−Pr−Nd−Zr−Co−Mo−B−Fe系の合
金薄帯をアルゴン雰囲気中、700℃で30分間熱処理
した後、ボールミルを用いて粉砕し、平均粒径20〜3
0μmの合金粉末を作製した。この合金粉末を大気中で
の熱処理を施さないか、大気中、300℃で10分間熱
処理した以外、実施例1〜5と同様な方法により処理し
て2種の永久磁石材料を製造し、さらにこれらの永久磁
石を用いて実施例1〜5と同様な方法により2種のボン
ド磁石を製造した。
一製造工程で5回、各永久磁石材料およびボンド磁石を
製造した。前記窒化処理後の各永久磁石材料について粉
末X線回折を行ったところ、いずれもTbCu7 型結晶
構造が主相であることが確認された。
Ce−Nd−Zr−Co−B−Fe系の合金薄帯をアル
ゴン雰囲気中、700℃で30分間熱処理した後、ボー
ルミルを用いて粉砕し、平均粒径20〜30μmの合金
粉末を作製した。この合金粉末を大気中での熱処理を施
さないか、大気中、300℃で10分間熱処理した以
外、実施例1〜5と同様な方法により処理して2種の永
久磁石材料を製造し、さらにこれらの永久磁石を用いて
実施例1〜5と同様な方法により2種のボンド磁石を製
造した。
一製造工程で5回、各永久磁石材料およびボンド磁石を
製造した。前記窒化処理後の各永久磁石材料について粉
末X線回折を行ったところ、いずれもTbCu7 型結晶
構造が主相であることが確認された。
の永久磁石の組成とボンド磁石の室温における磁気特性
(保磁力、残留磁束密度および最大エネルギー積)をそ
れぞれを測定した。その結果を下記表1〜表5に示す。
有量が0.01〜5原子%の永久磁石材料を含む実施例
1〜5の5つのボンド磁石は、残留磁束密度、保磁力、
最大エネルギー積が大きく、かつそれらの値のばらつき
が小さく安定した磁気特性を示すことがわかる。
て実質的に同一の組成で、酸素含有量が0.01原子%
未満の永久磁石材料を含む比較例1の5つのボンド磁石
は、実施例1に近似した磁気特性を有するものがあるも
のの、それら磁石間に大きな特性ばらつきを生じること
がわかる。実施例1と酸素含有量を除いて実質的に同一
の組成で、酸素含有量が5原子%を超える永久磁石材料
を含む比較例2の5つのボンド磁石は、実施例1に比べ
て磁気特性が劣るばかりか、それら磁石間に大きな特性
ばらつきを生じることがわかる。
的に同一の組成で、酸素含有量が0.01原子%未満の
永久磁石材料を含む比較例3のボンド磁石、酸素含有量
が5原子%を超える永久磁石材料を含む比較例4のボン
ド磁石は、それぞれ前記比較例1、2のボンド磁石と同
様な傾向を示すことがわかる。
施例1〜5と同様な組成の永久磁石材料にエポキシ樹脂
を2重量%それぞれ添加し、混合した後、1000MP
aの圧力で圧縮成形し、さらに150℃で2.5時間の
キュアを施すことにより5種のボンド磁石からなる円筒
体を作製した。また、前記ボンド磁石からなる円筒体に
着磁処理を施すことにより厚さ方向にN、S極を有する
複数の所望角度の円弧部に区画され、かつ隣接する円弧
部のN、S極が互いに逆になるように配列した。前記各
円筒体の片側開口部にスピンドルを有する円板を前記ス
ピンドルが前記円筒体の内部側に同心円状に位置するよ
うに固定して5種のロータを製作した。これらのロータ
の前記円筒体内に電磁石を前記スピンドルに軸支される
ように配置し、前記円筒体とは別の支持部材で支持する
ことによりスピンドルモータを組み立てた。
N、S極を切り替えることによって、前記ボンド磁石か
らなる円筒体と電磁石との磁力作用により前記円筒体が
回転され、前記円筒体に固定された円板から突出された
スピンドルを高速度で回転された。
相がTbCu7 相で、高い磁気特性を有し、そのばらつ
きが極めて小さい永久磁石材料を提供できる。また、本
発明によれば前記永久磁石材料とバインダを含む磁気特
性が高く、かつ安定したボンド磁石を提供できる。
またはステータの部品として備えたモータ、特にハード
・ディスクドライブやCD−ROMの駆動源として有用
な高性能のスピンドルモータを提供できる。
Claims (6)
- 【請求項1】 一般式 R1x R2y Az Ou Bv M100-x-y-z-u-v ただし、R1は少なくとも一種の希土類元素(Yを含
む)、R2はZr、Hf及びScから選ばれる少なくと
も一種の元素、AはH、N、C及びPから選ばれる少な
くとも一種の元素、MはFeおよびCoの少なくとも1
つの元素、x、y、z、uおよびvは原子%でそれぞれ
2≦x、0.01≦y、4≦x+y≦20、0.001
≦z≦10、0.01≦u≦2、0<v≦10を示す、
にて表され、主相がTbCu7 型結晶構造を有すること
を特徴とする永久磁石材料。 - 【請求項2】 前記主相の格子定数をa、cとした時、
a、cの比c/aが0.847以上であることを特徴と
する請求項1記載の永久磁石材料。 - 【請求項3】 前記一般式中のMは、前記主相中に90
原子%以上含まれることを特徴とする請求項1記載の永
久磁石材料。 - 【請求項4】 前記一般式中のMは、Si、Ti、A
l、Ge、Ga、V、Ta、Mo、Nb、Sn、Cr、
W、Mn、Cu、AgおよびNiから選ばれる少なくと
も1つの元素(T元素)でMの総量の20原子%以下の
範囲で置換されることを特徴とする請求項1乃至3いず
れか記載の永久磁石材料。 - 【請求項5】 請求項1ないし4記載の永久磁石材料と
バインダとを含むことを特徴とするボント磁石。 - 【請求項6】 請求項1ないし4記載の永久磁石材料と
バインダとを含むボント磁石からなるロータまたはステ
ータの部品を備えたことを特徴とするモータ。
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1997
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