[스크랩] 담금질 뜨임 풀림 불림 특징&방법

1. 담금질 

담금질-뜨임(조질)은 강의 기계적 성질을 향상시키기 위해 유효한 처리이고, 이 담금질 뜨임의 좋고 나쁨에 따라 그 성질은 크게 좌우된다. 또 담금질 뜨임, 즉 조질의 과정은 반드시 뜨임 공정을 거치지 않으면 안된다.
우선,담금질에 대해 담금질의 이론은 생략하고 작업성의 면에서 고찰한다.
담금질은 완전함을 항상 목표로 하지 않으면 안된다. 이 완전함이란 뭔가하면 완전한 담금질, 즉, 100%의 마르텐사이트를 얻기위한 제1조건은 수많은 요인이 있다. 그 주된 항목을 열거하면 아래의 그림과 같다.
강철이 갖는 C%와 담금질 경도는 비례하고, C%가 많으면 담금질 경도는 높다. 따라서 C%의 양에 따라 100%마르텐사이트의 담금질된 경도를 알 수 있고, 바꾸어 말하면 담금질 된 경도를 계측해, 그 값에 의해 마르텐사이트화된 양(%)를 구할 수 있다.
물론 100%는 이상치이고 Ms-Mf 구역안에서 Mf가 상온이하인 경우는 담금질한 후 서브제로처리 등의 공정을 더하지 않으면, 100% 달성할 수 없는 일도 있을 수 있다.
마르텐사이트 변태는 온도 의존성이 있는 것도 인식해 둘 필요가 있다.
열처리를 하고 있는 사람은 항상 담금질 작업에 있어서 완전 담금질을 목표로 한 작업을 하지 않으면 안된다.
그를 위해서는 개개의 조건을 확실하고 뚜렷하게 한 후에 비로소 소정의 담금질이 가능한 셈이지만, 뒤에 설명할 뜨임에 의해 조정하는 일이 없도록 과정으로서의 작업관리에 노력하지 않으면 안된다.

(1)피담금질물(강)에 대해서
 강종에 대해서는 항목으로서 제외하고 있다. 모든 강종이 대상이 되도록 이라는 의미에서이다. 형상(질량)에 대해서는 Mass Effect(질량에 따른 효과)가 있다. 이것은 담금질성에 여양을 미쳐, 형상의 대소에 따라 담금질 되는 것에 차이가 난다.
담금질성의 계산에 대해서는 별항에서 기술한다. 설계계산에 있어서 Mass Effect를 생각하지 않고, 구 KS 등에 참고치로서 게재되어있던 25ψ테스트피스의 기계적 성질을 채용하는 것은 위험하다.
담금질성 계산, 혹은 실제의 담금질시험의 데이터에 의해 계산하지 않으면 안된다.
피 담금질물의 표면쌍태에 산화,탈탄이 있는 경우, 표면의 담금질 경도가 나오지 않는다. 이것은 산화 또는 탈탄된 후의 C%에 대한 담금질 경도를 나타낸다고 하는것뿐 아니라 그 C%에 맞는 냉각속도가 아니기 때문에 마르텐사이트변태가 적다고 하는가 하는 일도 있다.
담금질 후 경도를 측정해 보고 아무리 해도 경도가 규정보다 낮다는 사례가 있다. 규정부를 연마기로 다시 갈아서 재측정하면 경도가 높다. 또, 연마기로 연마할 때의 불꽃으로 C%를 식별하면 낮다. 이것은 현미경조사할 것까지도 없이 탈탄되어 있다.
산화의 경우도 이것이 두꺼운 산화스케일로 뒤덮여 있으면 냉각시에 냉각제와의 접촉불량이 되어 담금질이 불완전해진다.
산화스케일은 로내에서 발생하는 일도 있기 때문에 가열시의 주의와 스케일이 생겼을 때는 담금질 전에 신속하게 제거해주면 좋 은결과를 얻을 수 있다.
담금질전에 신화스케일이부착되어 있는 경우는 쇼트브라스트 등으로 제거해주는 편이 좋다. 산화탈탄하고 있는 경우는 담금균열도 발생하기 쉽다.
치수정밀도는 주로 변형, 담금균열에 직접영향 받고 담금질의 경도에 대해서는 특히 영향받지 않지만, 여기에서 주의하지 않으면 안되는 것은 부품제작 공정중 담금질을 어느 시점에서 할 것인가 라는 것 즉 담금질전의 황삭가공치수의 설정이다.
조질열처리후 표면부를 절삭해서 모처럼의 조질층을 제거해 버리는 예도 많다. 담금질전 치수의 기준을 정해 조질열처리후는 가공 부분을 최소로 하는 편이 좋다. 아래에 기준 참고 예를 표시한다.

[1]조질열처리품의 황삭가공치수
 (1)적용 범위: 이 규정은 거친 가공후 조질열처리를 시행하는 부품의 황삭가공치수에 대해 규정한다.
(2)황삭가공치수: 황삭가공치수는 부품의 형상에 의해 각각 아래표에 따르는 것으로 한다.
(3)치수차: 황삭가공치수의 허용치수차를 각각 56±O' mm로 한다.
(4)표면의 거칠기: 황삭가공의 표면거칠기에 대해서는 별도로 규정하지 않지만 절단기의 상처와 표면의 흑피 부분을 남겨서는 안된다.
(5)특수부품의 황삭가공치수: 특수재질 및 특수형상으로 조질열처리 변형이 특히 큰 것, 또 조질열처리 후의 절삭가공중에 특히 커다란 변형이 발생하는 것에 대해서는 담당자간에 협의한 뒤 이규정의 치수에 적당한 수치를 가산한다.

[2]로
로의 가열 방식에서 직접가열, 간접가열로 나누어 생각한다. 가열방식의 장단점은 따로해 두고, 담금질시의 가열에서만 고찰하면 직접가열에 있어서는 전술한 산화,탈탄의 발생에 주의하지 않으면 안된다.
특히 대형물 등은 가열까지 장시간 고온에 노출되어 불리하다. 그 하나의 대책으로서 가열원과 피가열물 사이에 철판, 내화벽돌등의 가리개를 설치한다.
특히 등유용, 프로판가스용의 로에는 유효하다. 또 500-600℃ 정도까지를 다른 로에서 예열해 두고 이것을 옮겨 담금질 온도까지 급열하는 방법도 좋다. 온도제어 및 계측에 대해 온도 조절계의 제어정밀도, 오버-슈트 및 그것에 관계해서 전기식인 경우의 사이리스타제이등을 검토하지 않으면 안된다.
온도제어에 대해서는 수동개폐 자동개폐에서 PID제어가 있고 적어도 자동에 의한 개,폐는 최저의 필요요소일 것이다.
최근에는 사이리스타를 짜넣어서 그림과 같이 유지온도에 달하는 때의 온도의 오버를 방지하는 방법이 취해지고 있다.
정밀 금형, 공구강 등을 담금질하는 경우 필요할 것이다. 등유용, 석탄가스용, 프로판가스용에 보이는 로압의 제어도 빠뜨릴 수 없는 항목이다. 또 로내 분위기 상태와 관계도 있고, 상기의 산화방지의 점에서도 로압의 자동제어를 행하는 편이 좋다.
더욱이 연료 공기 혼합비 제어에 대해서도 연소 효율을 포함해 중요한 것이다. 로내 온도분포에 대해서는 로의 신설시에 유효 로내 영역에 있어서 각점의 온도를 변화시키며, 그 분포를 측정 해두는 것이 좋다.
더욱이 조업상태에서는 로내의 교반(휘지어 섞음)이 피가열물에 의해 차단되어 소용돌이를 일으켜, 부분적으로 정체되는 일도 있고, 국부적인 괴열이 일어나는 것도 생각 할 수 있다.
따라서 조업에 유사한 로를 채운 상태에서도 온도 분포를 측정해 둘 필요가 있다. 역으로 말하면 피가열물의 순서, 로내의 셋트 방법에도 영향있고, 밀폐된 상태를 없애 공기의 유통도 고려하지 않으면 안된다.
로내 교반에 대해서는 단지 강한 유속에서 교반하는 것이 좋은 것이 아니고 정밀부품의 경우 교반에 따른 열충격을 받는일도 있다.

(3)가열
 가열속도는 강의 가열시에 있어 열응력 두께의 차이 있는 부품, 강종가운데 열전도율이 작은 강재,공구상에 대한 가열시 균열 변형을 일으킬 우려가 있다. 특히 금형등은 정밀하고 콤펙트하여 두깨의 차가 있는 것과 공구강을 사용하고 있어 가열시에는 신중을 기해야 한다.
대책은 예열 및 계단 가열을 시행하는 편이가열 속도를 늦추는 방법보다 시간적으로 빠르다.(아래 그림 참조) 균열 이외에 변형에 대해서도 가열의 영향이 큰, 담금질시의 변태 변형을 주시해서 가열시의 변형을 간과하기 쉽다. 순서에 대해서는 로의 형식의 차이에 따른 로잠입 방식이 다르기 때문에 일괄해서 말할 수 없지만 로내에서 우선 균일하게 동일속도에서 가열되는 것이 필요하고, 피가열물막을 로에 들어가는만큼 넣고 있기 때문에 중심부에 있는 것과의 온도차가 발생하는 일이 있다.
더욱이 온도계측용 열전대의 측온장소와의 온도차가 있기 때문에 될 수 있는 한 피가열물 근방에서의 계측이 필요하다. 가열조건을 개선하기 위해 잠입성 전용차구, 바스켓(철망)에 피가열물을 셋트할 것,연속로의 경우는 한 개한개의 간격을 결정해야 한다.
담금질 온도에 대해서는 이론적으로는 <변태점보다 20~30℃ 높게>라고 표시되어 있는 것이 일반적이다. 그래서 강재마다 담금질 온도의 기준을 정해 운용해 가는 것이 바람직하다. 그러나 피가열물의 상태, 예를 들면 형상, 두께등과 냉각방법에 따라 탄력적이고 현장적으로 변경할 여지는 있다. 수냉하기 위해 담금질 온도를 10-20℃ 정도 낮게 잡거나, 대형물의 두께가 크기 때문에 담금질온도를 높게하거나 하는 것은 좋다.
유지시간은 예부터 inch 30분이라는 공식이 있었다. 그러나 이렇게 하면 200ψ는 2시간, 300ψ에서 3시간으로 비례적으로 장시간이 된다. 이론적으로는 가열하여 오스테나이트로 변태시키면 좋은 것으로 변태점을 통과하는 순간 오스트나이트로 되기 때문에 극단적으로 말해 유지의 필요는 없다는 것이 된다.
이 유지하는 의미는 우선 로내에 넣은 피가열물 전부가 담금질 온도로 되기 위해 필요한 유지이며, 또 다른 의미는 온도계는 담금질 온도로 되어 있지만 피가열물쪽은 아직 그 온도에 도달하고 있지 않기 때문에 유재한다는 것이다.
피 가열물 단위에 대해서는 표면부가 담금질 온도로 되면 중심부도 같은 온도로 되어 있다. 표면이 담금질 온도에 도달하면 담금질해도 좋다. 다만 강종에 따라 열전도율이 작은 경우와 공구강의 경우에는 약간의 유지를 취하는 편이 좋다. 공구강은 탄화물이 소지에 고용하는 시간이 필요하다.
이 유지시간의 inch 30분이라는 용식은 로의 형식에 따라 큰 차이가 난다. 가열용량이 큰 로, 간접 가열이 되는 로, 게측을 가열원 가까이 잡고 있는 로, 연속로 등이 그렇다.
그래서 각사 로의 현태의 차이가 있기 때문에 현재사용하고 있는 로에 대해서 데이터를 모아서 그것에 따라 유지시간을 결정하는 편이 가장 좋고, 그를 위해서는 테스트용으로서 피가열물의 표면, 심부에 열전대를 붙여 가열에 따라 그 온도를 계측하는 것이 좋다.

(4)냉각
강종, 담금질 온도, 형상에 따라 냉각제를 선정한다. 냉각제가 물인 경우 수온 30℃ 이하에서 청정할 것, 수온의 관리가 특히 필요하다.
수중에 비눗물등의 불순물이 혼입하지 않을 것, 기름의 경우는 30℃ 이하의 저온이 되지 않도록 배려하고 기름중의 산화스케일 등의 찌꺼기는 정기적으로 제거한다.
냉각속도는 냉각제의 특성 및 교반에 따라 결정한다. 담금질 직후는 심하게 교반하고 피담금질물이 300℃이하 정도로 될 때는 교반을 약화하여 마르텐사이트 변태의 온도영역을 서냉하고, 100℃이하에서 기름에서 꺼내 공랭에 의해 변태를 진행시키는 편이 담금균일 방지상으로도 좋다. 흔히 유중 냉각시 너무 심하게 교반하는 것을 볼 수 있는데 기름의 열화를 진행시킬 뿐이다. 담금질온도에서 냉각조에 담금질하는 시간은 일부 공구강등

2. 담금균열을 막는 방법 

(1)물 기름 담금질
담금균열을 막기 위해 현장적으로 물, 기름 담금질을 선택하는 방법이다.
담금질시의 냉각제를 선정하는 경우 수냉에 의할것인지 유냉에 의할 것이진 망설이는 부분이다. 완전담금질을 목표로 할 바에는 수냉에 의해 담금질 하고 싶지만, 재질상 담금질성이 좋을 때 피담금질품의 두께차가 있을 때, 모서리부가 날카로울 때 등은 담금균열을 일으키기 쉽다.
그래서 이 방법에는 상기와 같은 경우에는 다음의 수순에 따라 물과 기름의 양쪽으로 냉각해 담금질을 행한다.
1.가열온도에서 물에 담금질 한다.
2. 수중의 피담금질물의 온도강하를 관측한다.
3. 물에서 꺼내는 시기는 붉은기가 없어졌을 때 등에 따르는데 기계적으로 두께 25cm에 대해 수중 3-5초로 정해도 좋다.
4. 물에서 꺼내 재빨리 기름에 담금질한다.
이 방법의 어려움은 물에서 꺼내는 시가의 판단이지만 연습을 반복해 경도와 깨짐의 유무를 체크하면 경험적으로 그 요점이 파악된다. 냉각의 과정은 그림과 같이 된다.
즉 담금질시의 마르텐사이트 변태 영역(위험구역)을 유냉에 의해 서냉함에 따라 담금균열을 막을 수 있고 또 담금질도 완전해진다. 물, 기름 담금질에 가까운 수용성 냉각제의 사용도 같은 이치다.

(2)산화를 방지하는 담금질
포트 담금질: 강을 가열하는 로가 특별히 분위기를 컨트롤 하지 못할때의 현장적 산화방지로서 다음과 같은 방법을 취한다.
1 신문지를 양면에 기름 (담금질기름도 가능)을 적셔서 피가열물을 싼다. 밀착해서 틈이 남지 않도록 한다.
2.포트에 괴상 코크스를 채워 신문지로 싼 피가열물이 중심이 되도록 코크스로 덮는다.
3 포트안에 코크스가 가득찰 때까지 넣어 뚜껑으로 밀폐한다.
4. 뚜껑에 틈이 있을때는 점토로 막는다. 이상태에서 포트채로 가열한다. 포트인 코크스의 환원작용에 의해 피가열물의 산화가 방지된다. 가열시간은 포트안의 피가열물이 충분히 가열온도를 유지 할수 있을때까지 잡는다. 이 방법은 작은 부품으로 정밀가공품, 금형의 담금질등에 적용할 수 있는 간편한 방법이다. 담금질하 경우는 재빨리 포트안엥서 피가열물을 꺼내 공기중의 산화를 적게 해서 담금질한다.

(3)담금질 기름의 냉각능력
담금질의 품질을 결정하는 제요소는 균열이 없을 것, 변형이 적을 것, 경도가 충분히 들어갈 것이며 그 역할의 하나로 담금질 기름의 냉각능력이 있다. 이 담금질 기름의 냉각능력을 새로운 기준으로는 강의 경화능력을 구하는 시험으로써 담금질법이 있다.
현장적으로는 실정에 따라 각종의 간편한 테스트에 의해, 세 기름인 경우의 냉각능력과 사용중에 있어서 그 추이를 보아 수명으로 할 수 있다.
우선 담금질 기름이 구비해야 할 조건으로서는
1 냉각능력이 충분할 것
2 담금균열, 변형이 적을 것
3.수명이 길 것
4.생산비가 쌀 것
5.작업성이 좋을 것 등이 열거된다.
담금질 기름의 냉각곡선은 일반적으로 그림과 같다. 강을 담금질하는 경우 500℃까지를 될 수록 빨리 냉각시키고 다음으로 과냉된 오스테나이트가 마르텐사이트화하는 온도영역을 천천히 식히는 것이 좋다. 따라서 위 그림으로 말하면 BC의 증기막을 빨리 제거하고 CD에서 급냉시켜, DE에서 천천히 온도를 강하한다는 형태를 취하는 편이 좋다. 이상적인 냉각곡선을 취하기 위해서는
1.기름의 종류
2.유온
3.기름의 교반 (또는 담금질물의 진동 등)
4. 기름의 열화 상황 등이 있다.
기름의 종류에 대해서는 식물성유(유채기름, 피마자유)가 좋지만 일반적으로는 광물유로서 각종의 제품이 판매되고 있다. 크게 나누어 고온용 기름과 저온용 기름으로 분류된다. 담금질 기름의 구입에 있어서는 신규로 채용하는 경우, 가격이외에 담금질 대상물에 맞는 것을 선정하고 보충도 같은 회사의 제품을 들이는 편이 좋다.
미량 첨가물의 혼합으로 기름의 중합열화가 일어날 수 있기 때문에 미리 혼합한 유종의 분석을 행해 확인할 필요가 있다.
유온은 또 기름의 냉각능력을 크게 좌우한다.
유온의 관리가 중요하다. 설비상, 자동제어가 가능한 경우는 좋지만 수동에 의해 체크하는 경우, 일상의 작업관리에 특히 주의를 기울이지 않으면 안된다.
겨울철, 아침의 담금질 작업시에 담금균열이 발생한다는 것도 10년 전에는 흔히 있었던 이야기이다.
기름의 교반에 대해서는 상기의 냉각곡선중 BC의 증기막을 빨리 제거하고 CD간의 냉각속를 빠르게 하는 작용이 있다. 거꾸로 담금질물의 진동에 의한 방법도 마찬가지이다.
교반의 스피드는 단지 강렬하게 교반하면 좋다는 것은 아니다. 적절한 속도를 선정해야한다. 또 상기의 냉각곡선 가운데 DE간의 냉각은 서서히 냉각되는 편이 좋기 때문에 교반을 약화하는 것도 필요하다.
교반의 경우 담금질 기름이 산화하기 쉽다. 이것은 기름의 수명을 짧게 한다. 교반시간도 셋트해서오래 교반한채로 방치하지 않도록 해야한다.
기름의 여롸, 즉 수명에 대해서는 매일 정기적인 분석시험을 행해 열화의 추이를 지켜보아갈 필요가 있다. 새 기름 시점을 0으로 해서 각 제원의 변화를 분석하기 위해서는 사용자의 시험 설비가 풍부하지 않으면 안되지만 한계가 있다.
따라서 제조회사에 대해 주문을 하고 정기적인 기름의 분석관리 계약을 교환하는 것이 좋다. 최근에는 제조회사측에서 사용자의 등번호제도를 펴고 컴퓨터관리로 아프터서비스를 행하고 있는 예도 볼 수 있다.
더욱이 기름의 분석이외에 실제의 담금질 경화능력의 체크도 필요하다. 그 예로서 아래 그림과 같이 테스트피스를 정해 정기적으로 담금질하여 경도를 조사하고 그 상태에 따라 열화사용불가능 시점을 정하는 것도 간편한 방법이다.
또 냉각곡선 그것의 변화를 보기 위해서는 아래 그림과 같이 Ni 구의 중심의 냉각상태를 측온해 새기름과 비교해 가는 방법도 가능하다.
기름의 분석 예로서 다음 양식을 든다. 사용유의 체취는 유조내를 충분히 교반해서 행한다. 정기적 (3-4개월 마다)으로 행하는 편이 바람직하다.

(4)담금질 기름의 절약
석유가격의 상승에 따라 담금질 기름의 가격은 특히 현저하게 상승해 열처리에 있어서 running cost up의 커다란 요인이 되고 있다. 그래서 이 담금질 기름을 절약해 유효하게 사용하지 않으면 안되는데, 담금질 기름의 열화를 연장시키는 것 더욱이 달리 재활용해서 그 활용범위를 넓히는 것 등이 절약의 일환이 된다.
우선, 담금질 기름의 열화를 극력 방지해 수명을 연장시키기 위해 a 담금질 유온(특히 고온 담금질의 경우)을 될 수록 낮게 한다. b. 또 담금질유온으로 오른 시기를 담금질 시기와 맞춘다. (가열의 용량을 알아둘 것) c. 담금질 기름의 가열은 간접가열로 하기 위해 히터는 레디언트 튜브방식으로 한다. e. 특히 담금질물이 변태점 영역에 근접하는 시기에는 교반을멈춘ㅇ다. f. 설비상 담금질통상부에 불활성 가스로 카바하는 방식을 채용한다. 상기의 a-f는 모두 기름의
산화를 막기 위한 것이다. 그 밖에 기름안으로의 불순물의 혼입을 피하고 또 정기적으로 유조안의 찌꺼기를 제거하는 것이 필요해진다.
담금질 기름의 재활용에 대해서는
g. 열화한 고온용 담금질 기름을 저온용 담금질 기름에 전용할 수 없는지, 또 혼합해서 이용할 수 없는지등을 실험한다. 이 경우 제조자가 틀린 기름의 혼합은 피하는 편이 좋다.
h. 담금질 한후의 담금질물의 탈지와 그 기름의 회수를 꾀한다.
I. 담금질시에는 냉각중의 교반시간을 정해 짧게 한다.
j. 열화한 기름을 다른 연료로서 이용한다.
등이 있아. 더욱이 제조회사와의 교섭을 꾀해 역경로 물류에 의한 인수에 의해 가격의 저하도 요구하는 것이 바람직하다.

(5) 담금질 통의 교반 방법
담금질의 과정에 있어 담금질통의 교반(휘저어 섞음)방법은 중요하지만 일반적으로 깊이 연구되고 있지 않다. 여러 가지 방식이 있지만 제조자에 맡겨두고 있는 것이 현실이다.
여기서는 배치식 담금질조에 관해서 검토한다.
a의 방식 : 통밑에서 공기를 불어 넣어 교반한다.
b의 방식 : 교반날개의 회전에 의해 교반한다.
c의 방식 : 펌프로 순환시켜 교반한다.
교반시키는 목적은 냉각능력을 증가시키는 것이 우선 제일이지만, 담금질시의 변형자, 냉각제의 수명도 고려할 필요가 있다.
a는 피가열물에 공기가 접촉해 담금질 얼룩으로 될 위험이 수반하는 것, 또 기름의 경우 기름의 산화도를 나쁘게 한다.
b 는 교반시 냉각제의 흐름이 소용돌이로 되어서 변형의 점에서 좋지 않다. 가능하면 순유가 되도록 가드를 붙이는 편이 좋다. 지금까지의 실험적 결과로부터 c를 개량한 방식(그림 참조)이 무엇보다 좋다.

(6)담금질 통내의 냉각제의 온도제어
담금질시의 냉각제의 온도는 냉각능력에 영향을 주어 치수변화, 변형자등의 한 원인으로도 된다. 또 냉각조의 열용량 부족이 되지 않기 위해서도 설비상의 설계를 고려해야 한다.
(1) 담금질통의 열용량에 대해.
담금질물의 양, 크기, 담금질의 인터벌등으로부터 시간당의 투입열량을 계산할수 있다. 따라서 통의 열량을 냉각할 수 있는 크기가 된다.
(2)온도제어의 방법(아래 그림)
(a)는 유조의 밖에 수조를 설치해 냉각을 행하는 간편한 방법, 히터는 온도조절계에 의해 스위치의 조절을 한다.
(b)는 물 대신에 냉각기를 설치한 경우
가열시의 주의로서 히터 주변의 기름이 국부 가열되기 때문에 화재, 기름의 열화가 일어나기 쉽다. 그래서 가열시에는 느린 교반이 필요하고, 이 때문에 담금질과 가열교반의 두가지 교반속도로 전환하는 편이 좋다. 고가속 교반은 기름의 열화가 현저해 진다.
(3)냉각능력에 대해서
냉각제의 온도는 담금질 성능에 크게 영향하고 담금균열의 원인으로도 된다.
물의 경우 35℃이상이 되면 그 영향이 크다. 기름의 경우는 30-60℃(고온 기름의 경우는 100-150℃정도)정도가 좋고 특히 겨울철의 담금질 작업등의 때도 충분히 배려할 필요가 있다

 

출처 : 침탄열처리

글쓴이 : 울미탄광 원글보기

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