(57)【要約】【課題】低コストで確実にＣａを低減させた低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを提供すること。【解決手段】Ｃａ含有量が０．００２ｍａｓｓ％以下である低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストンである。ピストンは，重量比にて，Ｃａ：０．００３ｍａｓｓ％以上，Ｓｉ：４〜２５ｍａｓｓ％，Ｃｕ：７ｍａｓｓ％以下，Ｆｅ：１．５ｍａｓｓ％以下，Ｎｉ：７ｍａｓｓ％以下を含有すると共に，Ｍｇ：０．２ｍａｓｓ％以下であるＡｌ合金地金を用い，Ａｌ合金地金を溶解する地金溶解工程と，溶湯中の酸化物等の非金属介在物を除去する脱酸処理工程と，溶湯の表面を２０分以上大気に露呈することによりＣａ含有量を低減する溶湯保持工程とを行い，その後，所望量のＭｇを溶湯に添加するＭｇ添加工程と，溶湯を所望形状の鋳型に注湯する注湯工程とを行うことにより製造したものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃａ含有量が０．００２ｍａｓｓ％以下である低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストンであって，
該ピストンは，重量比にて，Ｃａ：０．００３ｍａｓｓ％以上，Ｓｉ：４〜２５ｍａｓｓ％，Ｃｕ：７ｍａｓｓ％以下，Ｆｅ：１．５ｍａｓｓ％以下，Ｎｉ：７ｍａｓｓ％以下を含有すると共に，Ｍｇ：０．２ｍａｓｓ％以下であるＡｌ合金地金を用い，
該Ａｌ合金地金を溶解する地金溶解工程と，溶湯中の酸化物等の非金属介在物を除去する脱酸処理工程と，上記溶湯の表面を２０分以上大気に露呈することによりＣａ含有量を低減する溶湯保持工程とを行い，その後，所望量のＭｇを上記溶湯に添加するＭｇ添加工程と，上記溶湯を所望形状の鋳型に注湯する注湯工程とを行うことにより製造したことを特徴とする低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストン。
【請求項２】
請求項１において，上記脱酸工程の後に，所望量の微量Ｃａを上記溶湯に添加するＣａ添加工程を行うことを特徴とする低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストン。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記ピストンは，Ｓｉ：１０〜２５ｍａｓｓ％含有し，かつ，初晶Ｓｉが存在する過共晶組織を有していることを特徴とする低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，Ｃａ含有量が低い低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストンに関する。
【０００２】
【従来技術】
Ａｌ合金においては，不純物としてのＣａが合金特性に様々な悪影響を与えるため，様々な手法により不要なＣａを極力低減させていた。そして，Ａｌ合金の鋳造メーカにおいては，高価なＣａ含有量が低い金属Ｓｉ等を原料にした低Ｃａ含有Ａｌ合金地金を用いていたので，製品の低コスト化が困難であった。
【０００３】
また，従来のＣａ低減方法としては，特許文献１に記載の「アルミニムまたはその合金の脱カルシウム方法」がある。特許文献１には，アルミニウムまたはその合金の溶湯にその中において遊離の硼素を発生する硼素源を添加して，上記アルミニウムまたはその合金の溶湯内に含まれるカルシウムをカルシウム−硼素化合物として除去することを特徴とするアルミニウムまたはその合金の脱カルシウム法が開示されている。
【０００４】
また，特許文献２の「Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の製造方法」においては，必須元素として，Ｃｕ：０．５〜５％，Ｓｉ：６〜２０％，Ｍｇ：０．３〜４％を含み，任意元素としてＮｉまたは／およびＭｎを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金を溶製するにあたり，少なくとも一種以上の上記の元素を含む溶湯に弗化アルミニウムカリウムもしくは弗化アルミニウムカリウムと弗化アルミウムを反応させて，上記溶湯中のＣａ含有量を低減することを特徴とするＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の製造方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭６１−２８００５号公報
【特許文献２】
特公昭６１−５１６１６号公報
【０００６】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記の特許文献１に記載の方法は，Ｃａを低減できる効果が期待できるが，「硼素を添加し静置した後除滓する」という処理プロセスの追加が新たに必要になり，コスト高になる。そのため，このＣａ低減方法を適用できる範囲は限られていた。また，残存する硼素が介在物となって鋳造品に混入し性能や加工性を阻害することが懸念された。
また，上記の特許文献２に記載の方法も，同様にＣａを低減できる効果が期待できるが，新たな処理プロセスが必要なことには変わりがなく，コスト高となる問題がある。
【０００７】
そこで，従来より，需要が高いエンジン用のピストンにおいて，Ｃａ含有量が低く，高品質である一方，製造が容易で低コストなものの開発が望まれていた。
【０００８】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，低コストで確実にＣａを低減させた低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
本発明は，Ｃａ含有量が０．００２ｍａｓｓ％以下である低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストンであって，
該ピストンは，重量比にて，Ｃａ：０．００３ｍａｓｓ％以上，Ｓｉ：４〜２５ｍａｓｓ％，Ｃｕ：７ｍａｓｓ％以下，Ｆｅ：１．５ｍａｓｓ％以下，Ｎｉ：７ｍａｓｓ％以下を含有すると共に，Ｍｇ：０．２ｍａｓｓ％以下であるＡｌ合金地金を用い，
該Ａｌ合金地金を溶解する地金溶解工程と，溶湯中の酸化物等の非金属介在物を除去する脱酸処理工程と，上記溶湯の表面を２０分以上大気に露呈することによりＣａ含有量を低減する溶湯保持工程とを行い，その後，所望量のＭｇを上記溶湯に添加するＭｇ添加工程と，上記溶湯を所望形状の鋳型に注湯する注湯工程とを行うことにより製造したことを特徴とする低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンにある（請求項１）。
【００１０】
本発明の低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンは，上記のごとく，従来にない独特な優れた製造方法によって作製したことに大きな特徴があり，これによって高品質化と低コスト化とを両立させたピストンとなっている。
即ち，上記ピストンは，上記のごとく，Ｃａ含有量が０．００２ｍａｓｓ％と比較的高い濃度のＣａを含有する一方，Ｍｇ含有量が１ｍａｓｓ％以下と比較的Ｍｇ含有量が低いＡｌ合金地金を用いた上で，上記地金溶解工程，脱酸処理工程，溶湯保持工程とを行い，その後，上記Ｍｇ添加工程と，上記注湯工程とを行って製造する。
【００１１】
なお，ここでいうＡｌ合金地金とは，いわゆる地金として流通している素材のみならず，溶解可能なあらゆる素材を含む概念であり，１種類でも，複数種類の素材の混合物でも良い。
【００１２】
上記溶湯保持工程においては，上記のごとく，溶湯の表面を２０分以上大気に露呈する。これにより，上記溶湯中に含有されているＣａが溶湯表面において優先的に酸化されてＣａを含有する酸化物被膜となり，溶湯保持工程の後，溶湯上の表面被膜を除去することによってＣａが溶湯中から除去される。そのため，上記溶湯保持工程を行うことによって，溶湯中のＣａ含有量を十分に低減することができる。なお，上記の溶湯を大気に露呈する時間は，６０分以上とすることによってより効果的にＣａ含有量を低減することができ，さらに１２０分以上とすることによってさらにその効果を確実に高めることができる。
【００１３】
さらに，本発明では，上記溶湯保持工程の前に，上記脱酸処理工程を行う。脱酸処理においてもＣａ含有量の低減を図ることができ，上記溶湯保持工程との相乗効果で優れた脱Ｃａ効果を得ることができる。また，脱酸処理工程の後に溶湯保持工程を行う方が，逆の順序の場合に比べてより効果的に脱Ｃａを行うことができる。
【００１４】
上記脱酸処理としては，公知の様々な方法をとることができる。通常は，ハロゲン化物を含有するフラックスを用いて行われることが多い。例えばフラックス粉末を溶湯に添加し，撹拌して，１０分間ほど静置した後除滓することによって行われる。この脱酸処理によりＣａはフラックスと反応して滓を生成し溶湯から取り除かれる。脱酸用フラックスとしては主にＮａ系のものとＫ系のものがあるが，いずれでも同様に脱Ｃａ効果が得られる。
【００１５】
そして，上記地金溶解工程の後に行う上記脱酸処理工程および溶湯保持工程によってＣａの低減が可能であるので，上記Ａｌ合金地金としては，Ｃａ含有量が０．００３ｍａｓｓ％以上という比較的高い濃度のＣａを含有する安価な地金を積極的に採用することができる。そのため，原料コストの低減により，得られる低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを安価なものとすることができる。上記Ａｌ合金地金のＣａ含有量が０．００３ｍａｓｓ％未満の場合には，地金コストが高くなるという問題がある。
【００１６】
さらに，上記Ａｌ合金地金としては，Ｍｇ含有量が０．２ｍａｓｓ％以下のものを用いる。これにより，上記溶湯保持工程におけるＣａ低減効果を実現可能な保持時間の範囲で十分に得ることができる。これは，Ｍｇを多く含有する溶湯では，Ｍｇが優先的に酸化するため，Ｃａが酸化しにくいという理由によると考えられる。したがって，上記Ａｌ合金地金のＭｇ含有量が０．２ｍａｓｓ％を超える場合には，上記溶湯保持工程におけるＣａ低減効果が低くなるという問題がある。なお，Ｍｇ含有量は少ないほど好ましく，その下限値は，不可避的不純物となり得る値とすることが好ましい。
なお，再生地金の使用などにより，上記Ａｌ合金地金中のＭｇ含有量が０．２ｍａｓｓ％より多い場合には，Ｍｇ含有量を０．２ｍａｓｓ％以下に減ずる脱Ｍｇ処理を行った後，上記の脱Ｃａ工程を行うことが好ましい。
【００１７】
また，上記溶湯保持工程の後には，所望量のＭｇを上記溶湯に添加するＭｇ添加工程を行う。Ｍｇを含有する低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを低コストで，かつ，効率良く製造することができる。即ち，上記のごとく，Ａｌ合金地金としては，Ｃａ含有量が比較的高い低価格の地金を採用し，上記溶湯保持工程においては上記のごとく効率よくＣａ含有量の低減を行う。その後に所望量のＭｇを添加する。これによって，上記溶湯保持工程におけるＣａ低減効果を低下させることなく所望量のＭｇを含有する低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを低コストで，かつ効率良く製造することができる。
【００１８】
また，上記Ａｌ合金地金は，Ｃａ，Ｍｇ以外の成分についても，上記のごとく所定の範囲に規制する。この限定理由について説明する。
Ｃｕ：７ｍａｓｓ％以下，
Ｃｕ含有量が７ｍａｓｓ％を超えると，Ｃｕを含有する化合物が多量に晶出し，延性が著しく低下する。また気孔（ポロシティ）欠陥も多くなり，疲労特性の低下が懸念されるという問題がある。
【００１９】
Ｓｉ：４〜２５ｍａｓｓ％，
Ｓｉ含有量が４％未満の場合，湯流れ性が悪くなるとともに気孔（ポロシティ）が生じ易いという問題がある。一方，Ｓｉ含有量が２５％を超えると，粗大な初晶Ｓｉが多量に生成して，低温での延性や靭性が著しく低下するおそれがある。また，被削性が著しく低下するおそれがある。また，溶解温度が著しく高くなり，溶湯の酸化や水素の含有量が多くなる問題が生じる。
また，過共晶組織を得るためには，少なくとも１０ｍａｓｓ％以上のＳｉの含有が必要である。過共晶凝固しやすくするため，および初晶Ｓｉの微細化のためにＰを添加することが望ましい。
【００２０】
また，Ａｌ合金地金がＳｉを含有する場合には，不純物としてＣａを含有している場合が多い。特に安価な低純度Ｓｉ原料を用いている場合には，Ｃａ含有量が多い。そのため，Ｓｉ含有原料をより安価なものを選択した場合には，上記製造方法が特に有効であり，実用上の意義がきわめて大きい。
上記安価な低純度Ｓｉ原料としては，Ｃａを３００ｐｐｍ以上含有する高Ｃａ含有金属Ｓｉがある。そして，この高Ｃａ含有金属Ｓｉを他の成分と共に溶解して凝固させて得たＡｌ合金地金は，Ｃａ含有量が０．００３ｍａｓｓ％以上となりうるので，このＡｌ合金地金を溶解（再溶解）させて用いる場合には，上記製造法が非常に有効である。
【００２１】
Ｆｅ：１．５ｍａｓｓ％以下，
Ｆｅ含有により，Ｆｅ化合物が晶出物として生成する。この晶出物の分散強化により高温耐力が向上する。１．５ｍａｓｓ％を越えると，粗大なＦｅ化合物が生成し，延性や靭性が低下するおそれがある。なお，Ｆｅ化合物とはＦｅを含む化合物の総称とする。
【００２２】
Ｎｉ：７ｍａｓｓ％以下，
Ｎｉ含有により，Ｎｉを含有する化合物が晶出物として生成する。この晶出物の分散強化により高温耐力が向上する。７ｍａｓｓ％を超えると粗大なＮｉを含有する化合物が多量に晶出し，延性や靭性が低下する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明においては，上記脱酸処理工程と上記溶湯保持工程との間，または上記溶湯保持工程後に，上記溶湯中の水素を除去する脱ガス工程を行うことが好ましい。この場合には，さらに一層Ｃａ含有量の低減効果を向上させることができる。また，ポロシティが発生しにくく，かつ低Ｃａの合金を効率よく比較的安価に得ることができる。
上記脱ガス処理の具体的方法としては，例えば，真空中で溶湯を保持する真空脱ガス法，ＡｒやＮ２ガスを溶湯中に吹き込むガスバブリング法などがある。
【００２４】
また，上記脱酸工程の後に，所望量の微量Ｃａを上記溶湯に添加するＣａ添加工程を行うことが好ましい（請求項２）。この場合には，微量のＣａを含有する低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを低コストで，かつ，精度良く製造することができる。即ち，上記のごとく，Ａｌ合金地金としては，所望のＣａ量よりも著しく多いＣａを含有する低価格の地金を採用し，上記溶湯保持工程を行うことによって，いったんＣａ含有量を所望量よりも低減させる。その後に所望量に達するように微量のＣａを添加する。これによって，安価な地金を用いても，微量のＣａを積極的に含有する低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンを，低コストで，かつ，精度良く製造することができる。
【００２５】
また，上記ピストンは，Ｓｉ：１０〜２５ｍａｓｓ％含有し，かつ，初晶Ｓｉが存在する過共晶組織を有していることが好ましい（請求項３）。この場合には，特に，高い強度と耐熱性に優れたピストンが得られる。
なお，Ｓｉ含有量が１０ｍａｓｓ％未満の場合には，上記のごとく過共晶組織が得られにくく，一方，２５ｍａｓｓ％を超えると，上記のごとく，粗大な初晶Ｓｉが多量に生成して，低温での延性や靭性の低下，被削性の低下，あるいは溶湯の酸化や水素量が多くなる等の問題が生じる。
【００２６】
また，上記低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンは，その製品における成分組成として，Ｍｇ：７ｍａｓｓ％以下，Ｓｉ：４〜２５ｍａｓｓ％，Ｃｕ：７ｍａｓｓ％以下，Ｆｅ：１．５ｍａｓｓ％以下，Ｎｉ：７ｍａｓｓ％以下を含有することが好ましい。この場合には，上記ピストンが，高強度，耐熱性に優れたものとなる。
Ｍｇ含有量が７ｍａｓｓ％を超えると，Ｍｇを含有する化合物が多量に晶出し，延性が著しく低下するという問題がある。その他の成分の限定理由は上記のＡｌ合金地金成分の限定理由と同様である。
【００２７】
さらに，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖを各々０．０５〜０．５ｍａｓｓ％含有することがより好ましい。これらの成分の含有により，合金の耐熱性がさらに高まる。各成分の含有量が０．０５ｍａｓｓ％未満ではその効果は小さく０．５ｍａｓｓ％を超えると粗大化合物が生成し，延性や靱性が低下するおそれがある。
【００２８】
【実施例】
実施例１
本発明の実施例に係る低Ｃａ含有Ａｌ合金製ピストンにつき，図１〜図４を用いて説明する。
本例のピストン５は，図２に示すごとく，Ｃａ含有量が０．００２ｍａｓｓ％以下である低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストンであり，略円筒形状の本体部５０と，本体部５０の一端を閉塞するように配設された頂面部５３０と，本体部５０を径方向に貫通するように設けられたピン穴５２０を設けたピンボス部５２を有している。各ピン穴５２０は，図示しないコンロッドを固定するためのピストンピンを挿入するように構成されている。なお，この形状を一例であって，細かい部分を他の形状に変更することは可能である。
【００２９】
このピストン５を，図１に示すステップで製造する。
そして，本例では，この製造方法を想定して，Ｃａ含有量の変化を測定する実験を行った。
即ち，Ａｌ−１４Ｓｉ−３．２Ｃｕ−２．６Ｎｉ−０．４Ｆｅ−０．４Ｍｎ（ｍａｓｓ％）のＡｌ合金地金を黒鉛るつぽで溶解する地金溶解工程Ｓ１を行った後，溶湯中の酸化物等の非金属介在物を除去する脱酸処理工程Ｓ２を行い，その後溶湯の表面を大気に露呈する溶湯保持工程Ｓ３を行うと共にその時間の経過とＣａ低減量との関係を調べた。
【００３０】
なお，上記Ａｌ合金地金として用いたものは低純度Ｓｉを原料にして溶製したＡｌ−２５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金地金（Ｃａ含有量１５０ｐｐｍ）を配合して，溶製時に脱酸処理を実施して作製したものである。
また，上記地金溶解工程Ｓ１およびその後の温度条件は，保持温度７５０℃±２０℃という条件とした。
【００３１】
また，上記脱酸処理工程Ｓ２は，市販のＫ系ハロゲン化物フラックスを用い，これを溶湯に添加し，撹拌後，１０ｍｉｎ間静置した後，除滓して行った。
上記溶湯の成分分析は，φ４０ｍｍ×高さ２５ｍｍの金型に注湯して作製した成分分析試料を用いて行った。Ｃａの分析は，蛍光Ｘ線分析にて，Ｃａ量が既知の標準試料により作成した検量線を用いて行った。
【００３２】
Ｃａ含有量の分析結果を図３に示す。同図は，横軸にＣａ分析時期を，縦軸にＣａ分析値（ｐｐｍ）をとったものである。
同図に示すごとく，溶湯保持工程Ｓ３における保持時間が長くなると共にＣａ含有量が低減した。すなわち，溶解初期のＣａ含有量は２０〜３０ｐｐｍであったが，脱酸処理によってＣａ量は著しく低下して１０ｐｐｍ以下になり，その後も極めて低いレベルを維持した。
【００３３】
このように低純度の金属Ｓｉを原料として用いても，Ａｌ合金地金作製時の脱酸処理と，上記地金溶解工程Ｓ１における再溶解およぴ脱酸処理工程Ｓ２，ならびに溶湯保持工程Ｓ３により極めて低Ｃａの高純度実用合金が容易に安定して得られる。そのため，図１に示すその後の工程，即ち，Ｍｇ添加工程Ｓ４と注湯工程Ｓ５を行うことにより，所望の成分組成の低Ｃａ含有Ａｌ合金よりなるピストン５を容易に作製することができる。
【００３４】
そして，通常は，地金メーカーで作製したＡｌ合金地金を再溶解して鋳造を行うので，地金メーカから入手する地金のＭｇ量を低くしておいて，ピストン鋳造の最終工程で脱Ｃａが十分に行われたあとＭｇを添加すれば，容易に高純度のＭｇ含有ピストンが製造できる。
また，材料の組織改良のために微量Ｃａを含有させたい場合には，やはり最終工程，即ち，上記Ｍｇ添加工程Ｓ４と注湯工程Ｓ５の間にＣａ添加工程を追加してＣａの調整を行えば良い。
【００３５】
なお，Ｍｇを最初から含有した合金では溶解，保持工程においてガス吸収を起こし易いので，本例のようにＭｇを含有しない合金で最終工程まで持って行き，鋳造直前にＭｇを添加すれば，鋳造欠陥の少ない高品質なピストンを容易に得ることができる。
【００３６】
実施例２
本例では，実施例１と同様に溶解したＡｌ合金溶湯に純Ｍｇを加えてＭｇを０．１ｍａｓｓ％含有させた溶湯についての実験結果を示す。
図４にその結果を示す。同図より知られるごとく，Ａｌ合金地金に最初からＭｇを０．１ｍａｓｓ％含有しても，その程度であれば，含有しない場合の実施例１と同様に著しい脱Ｃａ効果が得られた。
【００３７】
実施例３
本例では，実施例１と同様に溶解したＡｌ合金溶湯に純Ｍｇを加えてＭｇを０．２ｍａｓｓ％含有させた溶湯についての実験結果を示す。
図５にその結果を示す。同図より知られるごとく，この場合にも，Ａｌ合金地金に最初からＭｇを０．２ｍａｓｓ％含有しても，含有しない場合の実施例１と同様に著しい脱Ｃａ効果が得られた。
【００３８】
比較例１
本例は，実施例１と同様に溶解したＡｌ合金地金にＭｇを５ｍａｓｓ％含有させ，これを上記のＡｌ合金地金として想定した場合の結果である。脱酸処理工程およぴその後の溶湯保持工程の実施により脱Ｃａ効果は認められるが，Ｍｇ量が０．２ｍａｓｓ％以下の実施例１〜３の結果に比べてその効果は極めて緩やかである。
【００３９】
したがって，実用的な脱Ｃａ効果を得るためにはＭｇ量が０．２ｍａｓｓ％以下の合金について処理することがより望ましいことがわかる。
Ｍｇの含有が必要な場合には，上記の脱酸工程Ｓ２および溶湯保持工程Ｓ３による脱Ｃａを行った後の工程でＭｇを添加することにより，低ＣａのＭｇ含有合金よりなるピストンも容易に製造することができる。また，材料組織の改良などの目的で微量Ｃａを含有させたい場合には，脱Ｃａの後に必要に応じてＣａを添加することにより容易に微量Ｃａ含有合金のピストンも製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，低Ｃａ含有Ａｌ合金を製造する工程を示す説明図。
【図２】実施例１における，ピストンの一部切り欠き断面図。
【図３】実施例１における，Ｃａ分析値の推移を示す説明図。
【図４】実施例２における，Ｃａ分析値の推移を示す説明図。
【図５】実施例３における，Ｃａ分析値の推移を示す説明図。
【図６】比較例１における，Ｃａ分析値の推移を示す説明図。
【符号の説明】
５．．．ピストン，
Ｓ１．．．地金溶解工程，
Ｓ２．．．脱酸処理工程，
Ｓ３．．．溶湯保持工程，
Ｓ４．．．Ｍｇ添加工程，
Ｓ５．．．注湯工程，
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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