(57)【要約】本発明は、金属粉末が、アトマイズ法による鉄ベース粉末又はスポンジ鉄粉から成る群から選ばれている、粉末金属工業のための金属粉末組成物及びステアリン酸グリセリルを含有する潤滑剤組成物に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース粉末と１種以上の粉末状添加剤とを含有する金属粉末組成物において、前記添加剤の少なくとも１種の粒子が、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、非金属脂肪酸化合物及び脂肪酸の金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種の潤滑剤９５〜５重量％とから成る少なくとも部分的に溶融されて固化された混合物によって、前記金属ベース粉末の粒子に結合されている、上記金属粉末組成物。
【請求項２】
金属ベース粉末と、任意に１種以上の粉末状添加剤と、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と非金属脂肪酸化合物及び脂肪酸の金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種の潤滑剤９５〜５重量％とから成る粉末状混合物０．１〜２．０重量％とを含有する金属粉末組成物。
【請求項３】
鉄ベース粉末が、本質的に純粋な鉄粉、プレアロイ鉄粉、又は拡散合金化鉄粉である、請求項１又は２に記載の粉末組成物。
【請求項４】
１種以上の粉末状添加剤が、銅、モリブデン、クロム、マンガン、ニッケル、リン、及び黒鉛形態の炭素から成る群から選ばれている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の粉末組成物。
【請求項５】
非金属脂肪酸化合物が、エチレンビスステアルアミド、ステアリン酸、オレイン酸、オレイルアミド、ステアルアミド、及びエチレンビスオレイルアミドから成る群から選ばれている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粉末組成物。
【請求項６】
混合物が、エチレンビスステアルアミド６０〜８５重量％、及びステアリン酸グリセリル１５〜４０重量％から成る、請求項１〜５のいずれか１項に記載の粉末組成物。
【請求項７】
混合物が、溶融され、その後、固化されて微粉化されたステアリン酸グリセリル及びエチレンビスステアルアミドの粉末として存在している、請求項２〜６のいずれか１項に記載の粉末組成物。
【請求項８】
金属粉末が、結合剤、加工助剤、硬質相、及び流動度向上剤から選ばれている１種以上の添加剤を更に含有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の粉末組成物。
【請求項９】
ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、少なくとも１種の非金属脂肪酸化合物及び／又は脂肪酸の金属塩９５〜５重量％とを含有している潤滑剤組成物。
【請求項１０】
非金属脂肪酸化合物が、エチレンビスステアルアミド、ステアリン酸、オレイン酸、オレイルアミド、ステアルアミド、及びエチレンビスオレイルアミドから成る群から選ばれている、請求項９に記載の潤滑剤組成物。
【請求項１１】
脂肪酸の金属塩が、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、及びステアリン酸リチウムから成る群から選ばれている、請求項９に記載の潤滑剤組成物。
【請求項１２】
溶融され、その後、微粉化された粉末の形態である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の潤滑剤組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、粉末金属工業のための金属粉末組成物に関する。とりわけ、本発明は、ステアリン酸グリセリルを含有する鉄ベース金属粉末組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
産業界において、鉄ベース粉末の組成物を成形して焼結することにより製造された金属製品を使用することは、ますます広範囲に及んでいる。種々の形状及び厚さの多種多様の製品が製造されている。それらベース粉末から製品を製造するための１つの加工技術は、該粉末を金型キャビティの中に装入して、該粉末を高圧下で圧縮成形することである。得られた圧粉体（ｃｏｍｐａｃｔ）は、次いで、金型キャビティから取り外して焼結する。
それら製品の品質の要求は、絶えまなく高まっている。これに関連する１つの重要な要素は、それら工業製品が、ばらつきのない大きい密度を有することである。そのような製品を開発するための研究に、大変な努力が注がれている。この研究の範囲内の１つの分野は、例えば、圧縮成形を行なう間の金型キャビティの過剰な摩擦を回避するために使用される潤滑法に関係している。潤滑は、潤滑剤の溶液又は分散液を、金型キャビティの表面の上に噴霧する（外部潤滑法）か；又は、固体の潤滑粉を鉄ベース粉末と混合する（内部潤滑法）；ことによって行なわれる。場合によっては、両方の潤滑技術が利用される。
【０００３】
金型壁用外部潤滑剤を使用すれば、内部潤滑剤の必要性を減少させるか又は排除することができるが、外部潤滑技術には諸問題が伴なう。先ず、金型キャビティ内部の膜厚は変動する傾向があり；また、潤滑用分散液は、加工を行う間、金型キャビティからこぼれ落ちることが知られている。また、水性分散液は、金型キャビティ上に錆が発生する原因である。もう１つの問題は、突出し力（エジェクト力）を十分に低下させるのに、様々な種類の外部潤滑剤組成物は必ずしも十分でないことである（いっそう高い圧縮圧力では、とりわけ、そうである）。結局、金型壁潤滑法は、技術的に内部潤滑法と比べて、生産性を高めることはできない。
【０００４】
固体潤滑剤を鉄ベース粉末組成物の中に混ぜ込むことによる潤滑法もまた、諸短所を有している。１つの問題は、約７〜８ｇ／ｃｍ３の密度を有している鉄ベース粉末の密度と比べて、固体潤滑剤が一般に約１〜１．２ｇ／ｃｍ３の密度を有していることである。該組成物中にいっそう低い密度の潤滑剤が含有されていることによって、圧縮された部分の圧粉密度は低下する。第２に、内部潤滑剤は一般的に、一部の高さが約２．５〜５ｃｍを超える部品を製造する場合、突出し圧力を低減するのに十分に効果的である訳ではない。もう１つの問題は、内部潤滑剤の粒子が、焼結を行う間に燃え尽きるとき、圧縮成形された部品の中に細孔の空間が残されて、該部品の欠陥源が生じ得ることである。現在使用されている多くの潤滑剤はまた、金型から圧粉体を取り出すのに高いエネルギーが必要であるという欠点を有している。
【０００５】
現在使用されている諸潤滑剤の持つもう１つの欠点は、それら潤滑剤がしばしば、ステアリン酸亜鉛を含有していることである。これは、ステアリン酸亜鉛が、このステアリン酸塩を含有する金属粉末組成物に良好な流動性を与えるという事実に起因している。還元性雰囲気において、該ステアリン酸塩の初期分解が行われた後に残存している酸化亜鉛は、亜鉛に還元される。この亜鉛は、それの沸点が低いため、容易に揮発する。残念なことであるが、その亜鉛が、炉又は外部雰囲気のいっそう冷たい部分に接触したとき、該亜鉛は濃縮されるか又は再酸化される傾向がある。諸反応の結果、炉は定期的に清浄化しなければならないので、生産は中断しなければならない。
ステアリン酸亜鉛に関連する諸問題は、完全に有機の材料（例えば、ワックス）を使用することによって回避することができる。粉末冶金において最も広く用いられているワックスは、［Ａｃｒａｗａｘ（商標）Ｃ、又はＬｉｃｏｗａｘ（商標）の名称で入手することができる］エチレンビスステアルアミド、ＥＢＳである。この材料は、高い融点（１４０℃）を有しているが、それは比較的低い温度で燃え尽きて、金属残渣を全く残さない。その最も重大な欠点は、金属粉末中におけるその流動性が悪いことである。
【０００６】
本発明はとりわけ、内部潤滑剤を含有する鉄ベース組成物であって、該潤滑剤が、ステアリン酸グリセリルを含有する新規な潤滑剤組成物によって与えられている該鉄ベース組成物に向けられている。
本発明によるステアリン酸グリセリルの諸組成物又は諸混合物の更なる適用分野は、偏析のない非ダスティングパウダーの生成を可能にする金属粉末に添加される粉末状添加剤のための結合剤である。
【０００７】
ステアリン酸グリセリルは、米国特許第５，５１８，６３９号明細書及び、固相潤滑剤（例えば、黒鉛、二硫化モリブデン）と、該固相潤滑剤のための結合剤である液相潤滑剤と組合わされたポリテトラフルオロエチレンとを含有する潤滑剤組成物を開示する関連米国特許第５，５３８，６８４号明細書中の粉末冶金工業のための鉄ベース金属粉末と関連させて記述した。その結合剤は、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールエステル、Ｃ３〜６多価アルコールの部分エステル、ポリビニルエステル及びポリビニルピロリドンを包含する種々のクラスの化合物から選定することができる。該結合剤は、有機溶媒で可溶化する。この潤滑剤組成物は、金属粉末組成物の圧縮成形を行なう前、金型キャビティの表面に施す。このように、ステアリン酸グリセリルは、外部潤滑剤に関連する結合剤として使用することが知られており、しかも、本発明による潤滑剤とは対照的に、ステアリン酸グリセリルは、該圧縮成形の前、鉄ベース粉末及び任意的な諸添加剤と混合されない。
【０００８】
更に、米国特許第５，４３２，２２３号明細書は、ステアリン酸グリセリルが、金属粉末組成物に使用することができる結合剤であるポリビニルピロリドンの可塑剤として使用することができることを開示する。
金属粉末と関連させて、ステアリン酸グリセリルについて言及しているもう１つの特許明細書は、米国特許第６，１８７，２５９号明細書である。この特許明細書において、ステアリン酸グリセリルは、顆粒を製造するための希土類合金粉末に疎水性を与えるための作用物質として、広範囲に渡る様々な他の物質と一緒に言及されている。
【０００９】
米国特許第５，６４１，９２０号明細書は、モノステアリン酸グリセリルを、射出成形用粉末の可塑剤／相溶化剤として使用することについて言及している。モノステアリン酸グリセリルは、「粉末冶金及び粒状物質の進歩（Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ＆  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ），１９９６」におけるジャーマン（Ｇｅｒｍａｎ）の論文「焼結による結合剤と潤滑剤の熱的抽出法（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｉｎｄｅｒｓ  ａｎｄ  ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ  ｉｎ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）」にも言及されている。
最近公開された国際公開ＷＯ０３／０１５９６２号明細書において、モノステアリン酸グリセロールは、種々のグアニジン化合物と組み合わせた潤滑剤系の形態で言及されている。しかし、実際に金属粉末と組み合わせて試験を行った潤滑剤系は、ステアリン酸グリセリルを全く含有していない。本発明に関連して、グアニジン化合物を用いることによる利点は、全く観察されておらず、それは、そのようなグアニジン化合物が、本発明の潤滑剤／結合剤系の中に含有されていない理由である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
（発明の目的）
本発明の１つの目的は、ばらつきのない大きい密度を有する圧粉体となる潤滑剤を含有する鉄ベース粉末金属組成物を提供することである。
本発明の第２の目的は、低い突出しエネルギーを必要とする圧粉体になる潤滑剤を含有する鉄ベース粉末金属組成物を提供することである。
【００１１】
本発明の第３の目的は、優れた流動度を有し且つ亜鉛を含有していない潤滑剤を含有する鉄ベース粉末金属組成物を提供することである。
本発明の第４の目的は、ダスティング及び偏析が本質的にない鉄ベース粉末金属組成物であって、ステアリン酸グリセリルが結合剤として作用している該組成物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の概要）
これらの目的だけでなく、以下の記述から明らかになるであろう他の諸目的は、本発明に従って、潤滑剤；及び／又は、ステアリン酸グリセリルを含有する結合剤系；を含有する金属粉末組成物を与えることによって今回得られた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（発明の詳細な記述）
明細書及び特許請求の範囲において用いる字句「鉄ベース粉末」は、アトマイズ法、好ましくは水アトマイズ法によって調製される粉末を包含する。代替的に、鉄ベース粉末は、スポンジ鉄を基礎として調製することができる。それら粉末は、本質的に、純鉄；最終製品の強度、焼入れ特性、電磁的性質、又は他の所望の諸特性を改善する他の諸物質を用いてプレアロイされた鉄粉；そのような諸合金元素の粒子と混合された鉄の粒子（拡散焼きなまし混合物、又は純粋に機械的な混合物）；で造ることができる。それら合金元素の諸例は、銅、モリブデン、クロム、ニッケル、マンガン、リン、黒鉛形態の炭素、及びタングステンであり、それらは、別々に使用するか；又は、組み合わせて、例えば化合物（Ｆｅ３Ｐ及びＦｅＭｏ）の形態で使用する。本発明による潤滑剤を、高い圧縮性を有する鉄ベース粉末と一緒に使用するとき、意外にも良好な結果が得られる。そのような粉末は通常、低い（好ましくは０．０４重量％未満の）炭素含有量を有している。そのような粉末には、例えば、Ｄｉｓｔａｌｏｙ  ＡＥ、Ａｓｔａｌｏｙ  Ｍｏ、及びＡＳＣ  １００．２９が包含され、それらは全て、スウェーデンのヘガネス株式会社
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から市販されている。鉄ベース粉末の粒子は、約１０μｍより大きい範囲の重量平均粒径を有する。約３５０μｍ以下の最大重量平均粒径を有する鉄又はプレアロイ鉄の粒子が好ましく；それら粒子は、いっそう好ましくは約２５〜１５０μｍ、最も好ましくは４０〜１００μｍの範囲の重量平均粒径を有する。
【００１４】
本発明の主な特徴は、ステアリン酸グリセリル潤滑剤である。ステアリン酸グリセリルの３種の形態、即ち、モノステアリン酸塩、ジステアリン酸塩又はトリステアリン酸塩が存在する。本発明の好ましい具体例では、ジステアリン酸グリセリルを約２０％含有する工業用モノステアリン酸グリセリルを使用する。
【００１５】
該ステアリン酸グリセリルは、少なくとも１種の追加の潤滑剤／結合剤であって、好ましくは、非金属脂肪酸化合物（例えば、エチレンビスステアルアミド）；ステアリン酸；オレイン酸；オレイルアミド；ステアルアミド；及びエチレンビスオレイルアミド；及び／又は、脂肪酸の金属塩（例えば、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム及びステアリン酸リチウム）；から成る群から選ばれる該潤滑剤／結合剤と組み合わせて使用するのが好ましい。本発明の好ましい具体例によると、潤滑剤／結合剤は、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、追加の潤滑剤／結合剤９５〜５重量％とによって造られている。現時点で最も好ましい、該潤滑剤／結合剤の具体例は、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、エチレンビスステアルアミド９５〜５重量％とを含有する組成物である。本発明による潤滑剤／結合剤は、ステアリン酸グリセリル１５〜４０重量％と、エチレンビスステアルアミド８５〜６０重量％とを含有するのが最も好ましい。ステアリン酸グリセリルを９５重量％を超えて使用すれば、いっそう劣った粉末特性が得られ、圧縮された部分の表面は粘着性になる。本発明の１つの面は、そのような潤滑剤組成物それ自体に関する。
【００１６】
金属粉末組成物中の、潤滑剤／結合剤を含有するステアリン酸グリセリルの総量は、０．１〜２．０重量％の間、好ましくは０．１〜０．８重量％の間で変わることがある。
潤滑剤組成物は、物理的混合物として用いることができるが、溶融し、次いで、固化して微粉化した固体粒子の粉末として用いるのが最も好ましい。該潤滑剤粒子の平均粒径は、様々である場合があるが、３〜１５０μｍの範囲であるのが好ましい。平均粒径が大き過ぎると、圧縮成形を行う間、潤滑剤を金属粉末組成物の多孔性構造に残存させることが困難になる。その場合、該潤滑剤は、焼結の後、大きな孔を生じさせ、損なわれた強度特性を示す圧粉体を生じさせる結果となる。
【００１７】
本発明によるステアリン酸グリセリル混合物を、結合剤として用いる場合、圧縮成形すべき金属粉末混合物の調製方法は、米国特許第５，４８０，４６９号明細書、又は国際公開ＷＯ０１／１７７１６号明細書に記述されている通りに行うことができる。それら明細書は両方とも言及することによって本明細書に組み入れる。本明細書に記述するように、その結合剤は、溶融され、続いて、固化された形態で存在するとき、その結合効果を効果的に発揮する；即ち、均質な粉末混合物は、その溶融状態で該結合剤と結合すると、該結合剤は直ちに固化する。我々の観察によると、本発明による潤滑剤／結合剤の組成物の全体を溶融させる必要はなく、部分的溶融で十分であることが分かった。
【００１８】
金属粉末組成物は、本発明による潤滑剤／結合剤及び鉄ベース粉末の他に、結合剤、加工助剤、硬質相、及び流動度向上剤から成る群から選ばれる１種以上の添加剤を含有することができる。その結合剤は、米国特許第４，８３４，８００号明細書に記述される方法に従って、その粉末組成物に添加することができる。その米国特許明細書は、言及することによって本明細書に組み入れる。
金属粉末組成物に使用される結合剤は、例えば、セルロースエステル樹脂、アルキル基が１〜４個の炭素原子を有するヒドロキシアルキルセルロース樹脂、又は熱可塑性フェノール樹脂を包含することがある。
【００１９】
金属粉末組成物に使用される加工助剤は、滑石、フォルステライト、硫化マンガン、イオウ、二硫化モリブデン、窒化ホウ素、テルル、セレン、二フッ化バリウム及び二フッ化カルシウムを包含することがあり、それらは別々に、又は組み合わせて用いる。
金属粉末組成物に使用する硬質相は、タングステン、バナジウム、チタン、ニオブ、クロム、モリブデン、タンタル及びジルコニウムの炭化物；アルミニウム、チタン、バナジウム、モリブデン及びクロムの窒化物；Ａｌ２Ｏ３；Ｂ４Ｃ；並びに、種々のセラミック材料；を包含することがある。
【００２０】
流動度向上剤は、例えば、二酸化ケイ素のナノ粒子、又は米国特許第５，７８２，９５４号明細書に開示されているタイプの他の諸物質である場合がある。この米国特許明細書は、言及することによって本明細書に組み入れる。
手短に言えば、本発明による、とりわけ好ましい粉末組成物は、金属ベース粉末と１種以上の粉末状添加剤とを含有する金属粉末組成物において、それら添加剤の少なくとも１種の粒子が、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、非金属脂肪酸化合物及び脂肪酸の金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種の潤滑剤９５〜５重量％とから成る少なくとも部分的に溶融されて固化された混合物によって、前記金属ベース粉末の粒子に結合されている、上記金属粉末組成物である。
【００２１】
本発明のもう１つの具体例は、金属ベース粉末と、任意的な１種以上の粉末状添加剤、並びに、ステアリン酸グリセリル５〜９５重量％と、非金属脂肪酸化合物及び脂肪酸の金属塩からなる群から選ばれる少なくとも１種の潤滑剤９５〜５重量％とから成る粉末状潤滑剤組成物の混合物０．１〜２．０重量％とを含有する金属粉末組成物に関する。
鉄ベース粉末及び潤滑剤粒子は、従来の技術の助けをかりて混合し、実質的に均質な粉末組成物にする。
【実施例１】
【００２２】
（例）
次の例は、本発明の幾つかの具体例と利点とを与えるが、本発明を限定するようには意図されていない。別に指摘しない限り、いずれの％も重量に基づく。
下の表１に記載する諸混合物を調製した：
【００２３】
【表１】
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＊  モノステアリン酸グリセリル
＊＊  エチレンビスステアルアミド
【００２４】
全ての試料の鉄ベース粉末は、ＡＳＣ１００．２９であった。これは、水アトマイズ法で造られた高純度鉄の粉末であって、スウェーデンのヘガネス株式会社
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から市販されている該粉末である。潤滑剤の全量は０．８％であり、これは、黒鉛（Ｃ−ｕｆ４）０．５％と一緒に前記粉末組成物の中に混ぜた。種々の試験混合物中の諸乾燥成分、即ち、鉄粉、潤滑剤及び黒鉛は、混合して均一な混合物にし、次いで、圧縮成形を行なう前、金型キャビティに入れた。圧縮成形の操作は、異なる粉末混合物を用い、室温で、４００、６００及び８００ＰＭａで行った。
【００２５】
それら種々の試験混合物は、圧粉密度（ＧＤ）、焼結密度（ＳＤ）、突出しエネルギー、及び流動度について試験を行なった。図１〜図５を結果を示す。
【実施例２】
【００２６】
（例２）
この例は、本発明の更なる利点を例示する。この例では、米国特許第５，４８０，４６９号明細書（Ｓｔｏｒｓｔｒｏｍ等）に従って、結合剤／潤滑剤として種々の比のＥＢＳ（エチレンビスステアルアミド）／ＧＭＳ（モノステアリン酸グリセリル）を用いた。
下の表２に記載する結合剤／潤滑剤の混合物を調製した。ＥＢＳ及びＧＭＳの含有率は、該潤滑剤組成物の％として表す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
ＡＳＣ１００．２９を、銅粉２％、黒鉛０．５％、及び表２による潤滑剤／結合剤０．６％と均質に混合することによって、４種の異なる金属粉末組成物を調製した。それら組成物は、混合を行って該潤滑剤／結合剤を溶融する間、１５０℃に加熱し、その後、該潤滑剤／結合剤が固化するまで冷却した。
それら４種の金属粉末組成物からの諸試料は、６００ＭＰａでの一軸加圧成形によって造り、スプリングバック（ＳＢ）、圧粉密度（ＧＤ）、及び圧粉体強度（ＧＳ）を測定した。次の表３から、ＥＢＳ（エチレンビスステアルアミド）／ＧＭＳ（モノステアリン酸グリセリル）の混合物の結合剤／潤滑剤組成物を含有する諸試料は、単独の結合剤／潤滑剤としてＥＢＳを含有する諸試料と比べて、主に、圧粉体強度だけでなく圧粉密度及びスプリングバックが改善されたと結論付けることができる。
【００２９】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ステアリン酸グリセリルを含有する本発明の粉末組成物を用いて得られた圧粉密度と焼結密度とを、従来から用いられている潤滑剤ＥＢＳ（エチレンビスステアルアミド）を含有する同様の粉末からのものと比較して開示する。
【図２】本発明の粉末組成物を用いて得られた圧粉密度の関数としての突出しエネルギーを、従来から用いられている潤滑剤ＥＢＳを含有する同様の粉末からのものと比較して開示する。
【図３】本発明の粉末組成物を用いて得られた圧粉密度の関数としてのスプリングバックを、従来から用いられている潤滑剤ＥＢＳを含有する同様の粉末からのものと比較して開示する。
【図４】本発明の粉末組成物の流動度と見掛け密度とを、従来から用いられている潤滑剤ＥＢＳを含有する同様の粉末のものと比較して開示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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