(57)【要約】【課題】  スピニング加工時の母材管端や平板ブランク端での割れを防止できるスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びスピニング加工方法を提供する。【解決手段】  Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するフェライト系ステンレス鋼板において、含有Ｏ量を１００ppm以下にしてで、かつスピニング加工時に割れの起点となるＳｉＯ2含有介在物を極力少なくした組織とするか、スピニング加工前に当該鋼板端面又は溶接管端面に切削又は研磨の端面処理を施して割れの起点となるせん断加工歪みを予め除去した後、スピニング加工を施す。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｏ：１００ppm以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、ＳｉＯ2を含む介在物が０.０１％以下の清浄度で分散した組織を有することを特徴とするスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項２】
Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｏ：１００ppm以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方、及び３.０質量％以下のＭｏ，２.０質量％以下のＣｕ，０.２質量％以下のＡｌ，０.０１００質量％以下のＢの少なくとも一種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、ＳｉＯ2を含む介在物が０.０１％以下の清浄度で分散した組織を有することを特徴とするスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板。
【請求項３】
Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をフェライト系ステンレス鋼板又は同鋼板からなる溶接管に、当該鋼板端面又は溶接管端面に切削又は研磨の端面処理を施した後、スピニング加工を施すことを特徴とするスピニング加工方法。
【請求項４】
Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方、及び３.０質量％以下のＭｏ，２.０質量％以下のＣｕ，０.２質量％以下のＡｌ，０.０１００質量％以下のＢの少なくとも一種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をフェライト系ステンレス鋼板又は同鋼板からなる溶接管に、当該鋼板端面又は溶接管端面に切削又は研磨の端面処理を施した後、スピニング加工を施すことを特徴とするスピニング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、せん断端部の変形能を改善してスピニング加工性を向上させたフェライト系ステンレス鋼板及びスピニング加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス加工法は、大量生産に適した加工方法ではあるが金型費用が高価なため、少量多品種の生産には適さない場合が多い。一方、スピニング加工法は、比較的安価な冶具による加工が可能であり、少量多品種の製造に適している。さらに最近では、回転軸を多軸化することにより加工形状の自由度が増し、例えば特許文献１に示されているような、偏芯，傾斜加工されて内部に排気ガス浄化触媒を収容するケースの製造にも活用され始めている。このように、小型器物から工業用ケースまでの多くの用途で、しかも量産性が求められる用途にまで適用が広がっている。
【０００３】
特許文献１で示されたような、排気ガス浄化触媒を収容するケースについては溶接管体をスピニング加工母材とする場合が多い。このために例えば特許文献２に、溶接金属部の断面形状を限定することにより、スピニング加工時に溶接部の破断や欠け落ちを低減したフェライト系ステンレス鋼溶接管が提案されている。また、特許文献３に、スピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼が提案されている。この特許文献３に記載の発明では、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃ，Ｍｎ等の主要構成元素の含有量を規制するとともに、Ｔｉ等とともに介在物や析出物を形成するＳの含有量を規制することで、破断の起点となる前記介在物や析出物の出現を抑制してスピニング加工性を向上させている。
【特許文献１】特開２００１−３００１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２４３３５４号公報
【特許文献３】特開２００３−３４２６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献２，３で提案されたような技術により、スピニング加工時の割れの抑制はある程度は図れる。しかしながら、当該技術も、代表的なスピニング加工割れである母材管端からの割れや平板ブランク端面からの割れに対しては、効果的ではない。また他にスピニング加工時に端面からの割れを抑制する技術も提案されていない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、従来からのフェライト系ステンレス鋼ではなし得なかった、スピニング加工時の母材管端や平板ブランク端での割れを防止できるスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板及びスピニング加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板は、Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｏ：１００ppm以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方、あるいは必要に応じてさらに３.０質量％以下のＭｏ，２.０質量％以下のＣｕ，０.２質量％以下のＡｌ，０.０１００質量％以下のＢの少なくとも一種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成と、ＳｉＯ2を含む介在物が０.０１％以下の清浄度で分散した組織を有することを特徴とする。
【０００６】
また本発明のスピニング加工方法は、Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：２.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｓ：０.０１０質量％以下，Ｃｒ：１０〜２０質量％，Ｎｉ：２.０質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下を含み、さらに１.０質量％以下のＮｂと０.５質量％以下のＴｉのいずれか又は両方、あるいは必要に応じてさらに３.０質量％以下のＭｏ，２.０質量％以下のＣｕ，０.２質量％以下のＡｌ，０.０１００質量％以下のＢの少なくとも一種以上を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成をフェライト系ステンレス鋼板又は同鋼板からなる溶接管に、当該鋼板端面又は溶接管端面に切削又は研磨の端面処理を施した後、スピニング加工を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スピニング加工時に割れの起点となるＳｉＯ2を含む介在物を極力少なくし、あるいは割れの起点となるせん断加工歪みを予め除去することにより、それらの影響を抑制してスピニング加工性を高めることができている。このため、スピニング加工技術の適用範囲を大幅に広げることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明者等は、フェライト系ステンレス鋼板の平板ブランク材に、あるいはフェライト系ステンレス鋼板からなる溶接管にスピニング加工を施す際、母材となる円盤状平板や溶接鋼管のせん断加工が施された端面から割れる割合が高いことから、その原因と対策について検討を重ねた。
まず、数多くの円盤状ブランク端や溶接管端を細かく観察し、スピニング加工割れとの相間を調査した。その結果、せん断端の加工歪みが大きい場合にスピニング加工割れの割合が高くなることがわかった。すなわち、母材せん断端の変形能がその後のスピニング加工性に大きく影響を及ぼしていることがわかった。
【０００９】
次に、鋼成分とせん断端の性状について細かく調査した。その結果、フェライト系ステンレス鋼中の酸素（Ｏ）含有量が多く、しかもＳｉＯ2を含む介在物の存在割合が大きいと、破断面の割合が高くなってスピニング加工割れが発生しやすくなることがわかった。また、フェライト系ステンレス鋼の酸素含有量が多く、しかもＳｉＯ2を含む介在物の存在割合が大きくても、スピニング加工を施す前に、母材鋼板ないし溶接管の端面に切削又は研磨処理を施してせん断加工歪みを予め除去すれば、スピニング加工割れを防止できることがわかった。
【００１０】
Ｏ含有量の増加及びＳｉＯ2を含む介在物の増加により、せん断端面に割れが発生しやすくなる原因については、次のように考えられる。
すなわち、Ｏ含有量の増加により打抜き等のせん断加工時に亀裂の起点となる酸化物を主体とする介在物が増加する。特にＳｉＯ2を含むＭｎＯ・ＳｉＯ2系，ＭｎＯ・ＳｉＯ2・ＭｎＳ系の介在物は母材せん断端の変形能に影響を及ぼし、破断面の割合を増加させる。破断面の割合が増加した端面は破断限界歪みが増加するために、端面に引張応力が発生するスピニング加工が施されるとき、加工割れに至るものと考えられる。
【００１１】
また、せん断された端面には加工歪みが残存し、この加工歪みと上記介在物の複合作用により、母材せん断端の変形能に影響を及ぼすことになるので、残存する加工歪みを極力低減すればスピニング加工時に加工割れの発生を抑制できると想定した。
そして、この加工歪みの除去手段としては、レーザ照射や高周波誘導加熱等の手段も想定されるが、生産性を考慮し、本発明では切削もしくは研磨により加工歪み残存部分をスピニング加工する前に除去することとした。
せん断時にダメージを受けた端面部分を切除すれば、ある程度の介在物があっても変形能は回復する。すなわち、切削もしくは研磨の処理を施すことにより、スピニング加工時の加工割れを回避することができる。
【００１２】
以下に本発明の詳細を説明する。
まず、本発明鋼に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｃ：０.１５質量％以下
強力なオーステナイト形成元素であり、焼入れマルテンサイト相を利用する鋼には必須の元素である。ただし、過度に含有させると固溶強化により耐力や硬さが高くなりすぎる。そのため、Ｃ含有量を０.１５質量％（好ましくは、０.０８質量％）以下に規制する。
【００１３】
Ｓｉ：２.０質量％以下
製鋼脱酸に有効な元素である。マトリックス強化に有効な合金成分でもある。しかしながら、２.０質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、過度に硬質化してスピニング加工性を阻害する。そこで、２.０質量％以下に規制する。ただし、耐高温酸化性を向上させるためには重要な元素であるため、耐熱用材として使用する場合には、０.４質量％以上含有させることが好ましい。
【００１４】
Ｍｎ：２.０質量％以下
耐酸化性，高温強度増加に有効な元素であるが、多量に含有すると製造性を阻害するため、２.０質量％以下（好ましくは、１.０質量％）に規制する。
Ｓ：０.０１０質量％以下
熱間加工性に有害な元素であり、しかもＭｎＳ系のサルファイドやＭｎ−Ｓｉ−Ｏ−Ｓ系のオキシサルファイドを生成して加工性を阻害する。したがって極力少なくすることが好ましい。しかしながら過度の低硫化は、原料費の増加や精錬時間の長時間化につながる。このため、０.０１０質量％（好ましくは、０.００３質量％）以下に規制する。
【００１５】
Ｃｒ：１０〜２０質量％
耐食性及び耐熱性を向上させる上では必須の合金成分であり、ステンレス鋼として要求される耐食性を確保する上で１０質量％以上のＣｒが必要である。しかしながら、Ｃｒ含有量の増加に伴って硬質化し、曲げ性や伸縮性が損なわれることになるので、Ｃｒ含有量の上限を２０質量％に設定した。好ましくは１１〜１８質量％の範囲である。
【００１６】
Ｎｉ：２.０質量％以下
強力なオーステナイト形成元素であり、また、耐すきま腐食性の向上に有効な元素である。しかしながら、過剰量のＮｉが含まれるとＡｃ１点が下がり、焼鈍時の冷却過程でマルテンサイト相が生成して硬質化しやすくなる。そのため、上限を２.０質量％とする。
Ｎ：０.０３質量％以下
固溶強化元素、オーステナイト形成元素として有効な元素である。しかし、過度に含有させると硬質化を招く。このため、上限を０.０３質量％とする。
【００１７】
Ｏ：１００ppm以下
本発明においてもっとも重要な元素である。多量の含有していると酸化物、特にＳｉＯ2を含む複合酸化物を形成する。これらの酸化物系介在物が割れの起点となってスピニング加工性を低下させる。Ｏ含有量が１００ppmを超えるとスピニング加工性の低下が顕著になる。したがって、本発明ではＯ含有量は１００ppm以下に制限する。なお、より割れ感受性を低めるためには７０ppm以下にすることが好ましい。
【００１８】
Ｎｂ：１.０質量％以下，Ｔｉ：０.５質量％以下いずれか又は両方
フェライト系ステンレス鋼において、Ｃ，Ｎを炭化物や窒化物として固定し、Ｃｒ炭化物・窒化物の形成を抑制するため、耐食性，耐熱性あるいは加工性等の向上に有効な元素である。ただし、過度に含有させると、余剰のＴｉ，Ｎｂが母相中に固溶し、素材の硬質化等の弊害が生じる。このため、それらの上限を、Ｎｂは１.０質量％に、Ｔｉは０.５質量％に設定した。これらの元素は、いずれか一方もしくは両方を含有させる。
【００１９】
以上の元素が必須合金成分として含有されるが、必要に応じて以下の成分を含有させてもよい。
Ｍｏ：３.０質量％以下
耐食性の向上に非常に有効な元素である。ただし、過度に含有させると硬質化を招く。したがって、含有させる場合には３.０質量％を上限とする。
Ｃｕ：２.０質量％以下
耐食性の向上に有効な元素である。ただし、過度に含有させると熱間加工性が低下する。したがって、含有させる場合には２.０質量％を上限とする。
【００２０】
Ａｌ：０.２質量％以下
製鋼工程において脱酸剤として添加される成分である。しかし、過剰に添加すると硬質化を招く。このため、Ａｌを添加する場合には、０.２質量％を上限とする。
Ｂ：０.０１００質量％以下
Ｎを固定し、耐食性や加工性を改善する作用をもつ合金元素であり、必要に応じて添加される。しかし過剰に添加すると熱間加工性の低下や溶接性の低下を招く。このため、添加する場合には、０.０１００質量％を上限とする。
以上の元素以外の成分は、基本的には不可避的な不純物である。極力少なくすることが好ましい。
【００２１】
次に介在物について説明する。
ＳｉＯ2を含む介在物清浄度：０.０１％以下
本発明において、Ｏ（酸素）の規制とともに重要な要件である。ＳｉＯ2を含む介在物の存在量が多くなると、加工時に割れ起点となってスピニング加工性を低下させる。この介在物が０.０１％の清浄度を超えるとスピニング加工性の低下が顕著になる。このため、本発明では上記介在物清浄度を０.０１％以下に制限する。なお、本明細書では、清浄度としてＪＩＳ  Ｇ０５５５に規定された方法で測定したものを採用している。
【００２２】
周知のように、介在物の組成や形態は、精錬時に使用する脱酸剤により変化する。Ｓｉを脱酸剤として使用すると、ＳｉＯ2系の介在物が生成する。Ｔｉを脱酸剤として使用すると、ＴｉＯ2やＴｉ2Ｏ3の介在物が生成する。Ａｌを脱酸剤として使用すると、Ａｌ2Ｏ3系の介在物が生成する。
ＳｉＯ2を含む介在物量を少なくしようとする場合、脱酸剤としてＳｉを使用せず、ＡｌもしくはＴｉで脱酸すればよい。しかし、ＡｌもしくはＴｉで脱酸しても、脱酸が不十分なときには、ＳｉＯ2を含む介在物が形成される。また、Ｓｉを脱酸剤に使用しても、併せて使用するスラグを適正組成にすることによってＯ（酸素）は低くなり、介在物はスラグに吸着されるので、Ｏ：１００ppm以下及びＳｉＯ2を含む介在物の清浄度を０.０１％以下にすることができる。
【００２３】
端面処理
本発明では、スピニング加工を行う前に、予め素材端面に切削又は研磨による端面処理を施すことも、スピニング加工性を向上させる上で重要な要件になっている。
量産性が重要となる工業製品においては、破断分離加工手段として、打抜き等のせん断加工が多用されている。この加工により形成されるせん断端面には、前記したように、加工歪みが残存し、この加工歪みが母材せん断端の変形能に影響を及ぼすことになるので、スピニング加工を向上させるためには、この加工歪みをせん断端面から除去する必要がある。
【００２４】
本明細書中では、このせん断端面から加工歪みを除去する手段を総括して“端面処理”と称することにする。歪み相を除去するための“端面処理”としては、レーザ照射や高周波誘導加熱等による局所的な焼鈍処理や電解研磨処理も可能であるが、高い工業生産性を要求される現場技術としては得策ではない。生産性を高め、低コストで“端面処理”を施すために、本発明では、バイト等による切削加工、あるいは砥石等による研磨加工等の機械的な加工を施すことが好ましい。
【実施例】
【００２５】
実施例１：
表１の組成をもつ各種ステンレス鋼１〜１５を溶製し、連鋳スラブを得た後、抽出温度１２３０℃で熱間圧延することにより、板厚３ｍｍの熱延鋼帯を製造した。熱延鋼帯に１１００℃×均熱１分の焼鈍を施した後、冷間圧延を行って板厚１.５ｍｍの冷延鋼板とした。さらに、この鋼帯に１０５０℃×均熱１分の焼鈍を施した後酸洗し、焼鈍酸洗交代を作製した。
【００２６】
作製した各ステンレス鋼板を１５枚ずつ重ね、その圧延方向断面を研磨し、被検面を圧延方向に１５ｍｍ，板幅方向に２０ｍｍの範囲とし、まず光学顕微鏡により４００倍で観察して、ＪＩＳ  Ｇ０５５５に規定された方法で清浄度を測定した。
その際、格子点上に存在した介在物の座標を記録した。次にその座標をもとに、ＥＤＸ（Energy Dispersed X-ray Analysis）による介在物の成分を同定し、Ｓｉが質量％で５％以上含まれるものを化学量論的に酸化物換算してＳｉを含む介在物とし、ＳｉＯ2を含む介在物の清浄度を算出した。
【００２７】
次に、各ステンレス鋼板を用いて図１に示す、外径φ１１０ｍｍ，長さ１５０ｍｍのＴＩＧ溶接管を作製した。そして管端はプレスシャーによりせん断した。
この溶接管を母材として、図２に示す形状の加工品をスピニング加工により成形した。
スピニング条件は、回転速度７００rpm，絞込み量３ｍｍ／パスで１５パス，成形ロール相対移動速度１１０ｍｍ／ｓで、無潤滑，無冷却で加工した。鋼種毎に３０００個連続で加工し、管端割れの発生個数を把握した。
また、これとは別に、各鋼の管端を回転させながらバイトで約１ｍｍ切削加工後にスピニング加工し、管端割れの発生個数を把握した。
なお、割れ長さが０.５ｍｍを超えたものをスピニング加工割れと判断した。
【００２８】
表２に、各鋼の酸素含有量及びＳｉＯ2を含む介在物の清浄度と、スピニング加工割れを発生させた不良個数及び不良率の関係を示す。
Ｏ（酸素）量が１００ppmを超える鋼No.５，６及び１１と、O量が１００ppm以下であるがＳｉを含む介在物の清浄度が０.０１％を超える鋼No.２及び１０では、端面での割れが総加工数の５０％以上で発生していた。
一方、Ｏ量が１００ppm以下であり、ＳｉＯ2を含む介在物の清浄度が０.０１％以下の鋼No.１，３，４，７，８，９，１２，１３，１４および１５では端面の割れが総加工数の１％未満であり、著しく加工性が向上していた。特に、鋼No.１，３，６，１２，１３，１４及び１５は不良率が０.２％以下であり、Ｏ含有量を７０ppm以下とすることで、不良率がより一層低減されている。
【００２９】
表２に、各鋼の酸素含有量及びＳｉＯ2を含む介在物の清浄度と、スピニング加工前に管端処理を施した場合の不良個数及び不良率の関係を併せて示す。
Ｏ含有量が１００ppmを超える鋼であっても、端面処理を施すことにより、端面での加工割れの割合が１％未満となり、著しく不良率が低減されていた。
なかでも、Ｏ含有量が７０ppm以下である鋼No.１，３，７，１２，１３，１４及び１５では不良率が０％であり、Ｏ含有率の制限と端面処理の相乗効果により不良率ゼロが達成できた。
【００３０】
2006291294.tif 000002
【００３１】
2006291294.tif 000003
【００３２】
実施例２：
実施例１で用いた各種鋼板から、打抜き加工により図３に示すφ１４０ｍｍのブランクを作製した。
このブランクを母材とし、図４に示す形状のへら絞り加工品を作成した。へら絞り条件は、回転速度２００rpm，コマ送り速度０.２ｍｍ／回転とし、鋼種毎に５００個連続で加工し、端面割れの発生個数を把握した。
なお、割れ長さが０.５ｍｍを超えたものをへら絞り割れと判断した。
【００３３】
表３に、各鋼の酸素含有量及びＳｉＯ2を含む介在物の清浄度と、へら絞り割れを発生させた不良個数及び不良率の関係を示す。
Ｏ（酸素）量が１００ppmを超える鋼No.５，６及び１１と、Ｏ量が１００ppm以下であるがＳｉＯ2を含む介在物の清浄度が０.０１％を超える鋼No.２及び１０では、端面での割れが総加工数の０.２％以上で発生していた。
一方、Ｏ量が１００ppm以下であり、ＳｉＯ2を含む介在物の清浄度が０.０１％以下の鋼No.１，３，４，７，８，９，１２，１３，１４および１５では端面の割れが総加工数の１％未満であり、著しく加工性が向上していた。
【００３４】
表３に、各鋼の酸素含有量及びＳｉＯ2を含む介在物の清浄度と、へら絞り加工前にブランクのせん断面に研磨処理を施した場合の不良個数及び不良率の関係を併せて示す。
Ｏ含有量が１００ppmを超える鋼であっても、端面処理を施すことにより、端面での加工割れの割合が１％未満となり、著しく不良率が低減されていた。
以上により、従来の素材ではなし得なかったスピニング加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼板が得られることがわかる。特に、加工前に、予め切削又は研磨による端面処理を施すと、スピニング加工性がさらに向上することがわかる。
【００３５】
2006291294.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】スピニング加工用溶接管の形状を示す図
【図２】スピニング加工品の形状を示す図
【図３】へら絞り加工用ブランク円盤の形状を示す図
【図４】へら絞り加工品の形状を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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