JP3241215B2 - 窒化珪素質焼結体の製造方法 - Google Patents
窒化珪素質焼結体の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、室温から高温までの強
度特性に優れ耐熱衝撃抵抗に優れた自動車用部品やガス
タ−ビンエンジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結
体の製造方法に関する。
度特性に優れ耐熱衝撃抵抗に優れた自動車用部品やガス
タ−ビンエンジン用部品等に使用される窒化珪素質焼結
体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来から、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、
耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジニア
リングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機関用
として応用が進められている。
耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジニア
リングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機関用
として応用が進められている。
【０００３】通常、窒化珪素質焼結体は、窒化珪素単味
での焼成が困難であるため、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 な
どの周期律表第３ａ族元素酸化物や、Ａｌ2 Ｏ3 などの
を添加し高緻密化することが行われている（特公昭５２
−３６４９号、特公昭５８−５１９０号）。
での焼成が困難であるため、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 な
どの周期律表第３ａ族元素酸化物や、Ａｌ2 Ｏ3 などの
を添加し高緻密化することが行われている（特公昭５２
−３６４９号、特公昭５８−５１９０号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、焼結
助剤として希土類元素酸化物と酸化アルミニウムを用い
た場合、その焼結性が高められることにより高密度化を
達成することができ、室温強度の高い焼結体となるが、
１０００℃の高温特性の点では、希土類元素、珪素、ア
ルミニウム、酸素、窒素からなる粒界相自体が低融点で
あり、高温で軟化しやすいために焼結体全体としての高
温特性も実用的には未だ不十分であるがために、その使
用条件は低温域に限定されていた。よって、このような
焼結性を維持しながらも高温特性、特に高温強度、熱衝
撃抵抗の改良が要求されている。
助剤として希土類元素酸化物と酸化アルミニウムを用い
た場合、その焼結性が高められることにより高密度化を
達成することができ、室温強度の高い焼結体となるが、
１０００℃の高温特性の点では、希土類元素、珪素、ア
ルミニウム、酸素、窒素からなる粒界相自体が低融点で
あり、高温で軟化しやすいために焼結体全体としての高
温特性も実用的には未だ不十分であるがために、その使
用条件は低温域に限定されていた。よって、このような
焼結性を維持しながらも高温特性、特に高温強度、熱衝
撃抵抗の改良が要求されている。
【０００５】そこで、粒界の強化を図る方法として、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉの珪化物、炭化物、硼化物などの化
学的安定な微細な化合物を点在させることが特開平５−
１９４０３８号などに記載されている。
ｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉの珪化物、炭化物、硼化物などの化
学的安定な微細な化合物を点在させることが特開平５−
１９４０３８号などに記載されている。
【０００６】しかしながら、かかる方法によれば、この
ような分散粒子自体高価であり、しかも、出発原料中に
このような化合物を添加すると焼結過程において窒化珪
素や酸化珪素と反応して体積変化などが生じたり、反応
に伴うガスの発生などにより焼結体の特性に対して悪影
響を及ぼす場合があり、微細な粒子の分散による強度向
上効果が十分に得られないという問題があった。
ような分散粒子自体高価であり、しかも、出発原料中に
このような化合物を添加すると焼結過程において窒化珪
素や酸化珪素と反応して体積変化などが生じたり、反応
に伴うガスの発生などにより焼結体の特性に対して悪影
響を及ぼす場合があり、微細な粒子の分散による強度向
上効果が十分に得られないという問題があった。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明者らは、上記問
題に対して検討を重ねた結果、焼結体中に微細なＷＳｉ
2 を分散させるに際して、小さい粒子径を有する安価な
Ｗ化合物を出発原料として配合し、これを焼成前に一旦
熱処理してＷＳｉ2 を生成させた後に本焼成することに
より、成形体中の他の成分と反応することなく、ＷＳｉ
2 の粒径の制御を容易にでき、強度を顕著に高めること
ができ、しかも安価に製造できることを見いだし本発明
に至ったのである。
題に対して検討を重ねた結果、焼結体中に微細なＷＳｉ
2 を分散させるに際して、小さい粒子径を有する安価な
Ｗ化合物を出発原料として配合し、これを焼成前に一旦
熱処理してＷＳｉ2 を生成させた後に本焼成することに
より、成形体中の他の成分と反応することなく、ＷＳｉ
2 の粒径の制御を容易にでき、強度を顕著に高めること
ができ、しかも安価に製造できることを見いだし本発明
に至ったのである。
【０００８】即ち、本発明の窒化珪素質焼結体の製造方
法は、窒化珪素を主成分とし、添加成分として少なくと
も周期律表第３ａ族元素酸化物、酸化アルミニウムを含
み、さらに平均粒径が３μｍ以下のタングステン化合物
（ただし、Ｗの珪化物を除く）をＷＳｉ2 換算で全量中
０．５〜１０重量％の割合で含む成形体を１０ｔｏｒｒ
以下の減圧中、８００℃〜１４００℃の温度で加熱して
平均粒径３μｍ以下のＷＳｉ2 を生成させた後、これを
非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするものであ
る。
法は、窒化珪素を主成分とし、添加成分として少なくと
も周期律表第３ａ族元素酸化物、酸化アルミニウムを含
み、さらに平均粒径が３μｍ以下のタングステン化合物
（ただし、Ｗの珪化物を除く）をＷＳｉ2 換算で全量中
０．５〜１０重量％の割合で含む成形体を１０ｔｏｒｒ
以下の減圧中、８００℃〜１４００℃の温度で加熱して
平均粒径３μｍ以下のＷＳｉ2 を生成させた後、これを
非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とするものであ
る。
【０００９】本発明の製造方法によれば、まず出発原料
として窒化珪素粉末を主体とし、添加成分として周期律
表第３ａ族元素酸化物粉末および酸化アルミニウム粉
末、さらに場合により酸化珪素粉末を用いる。これの添
加成分は窒化珪素に対して焼結性を高めるに適当な量で
配合される。具体的には、周期律表第３ａ族元素酸化物
が１〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１０重量
％、酸化珪素が０〜１０重量％の割合で配合される。な
お、出発原料として用いる窒化珪素粉末はそれ自体α−
Ｓｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでも用いることが
でき、それらの粒径は０．４〜１．２μｍが好ましい。
として窒化珪素粉末を主体とし、添加成分として周期律
表第３ａ族元素酸化物粉末および酸化アルミニウム粉
末、さらに場合により酸化珪素粉末を用いる。これの添
加成分は窒化珪素に対して焼結性を高めるに適当な量で
配合される。具体的には、周期律表第３ａ族元素酸化物
が１〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１０重量
％、酸化珪素が０〜１０重量％の割合で配合される。な
お、出発原料として用いる窒化珪素粉末はそれ自体α−
Ｓｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでも用いることが
でき、それらの粒径は０．４〜１．２μｍが好ましい。
【００１０】本発明によれば、上記組成物に対して、さ
らに平均粒径が３μｍ以下のタングステン化合物を添加
する。ＷＳｉ2 以外のタングステン化合物としては、Ｗ
Ｏ3、ＷＣ、ＷＢ、などが挙げられる。このタングテン
化合物は最終的にＷＳｉ2 となるために、ＷＳｉ2 換算
で０．５〜１０重量％、特に１〜５重量％の割合で配合
する。ここでＷ化合物の平均粒径を３μｍ以下に限定し
たのは、これを大きいと最終焼結体中におけるＷＳｉ2
の粒径も３μｍを越え、これが逆に破壊源となり、強度
の向上効果が発揮されないためである。また、その量を
上記の範囲に限定したのは、０．５重量％より少ないと
ＷＳｉ2 分散による粒界の軟化防止効果が十分でなく、
１０重量％を越えると、粒界相への溶解量が増加し、融
点を低下させてしまうため目的の強度が得られない。
らに平均粒径が３μｍ以下のタングステン化合物を添加
する。ＷＳｉ2 以外のタングステン化合物としては、Ｗ
Ｏ3、ＷＣ、ＷＢ、などが挙げられる。このタングテン
化合物は最終的にＷＳｉ2 となるために、ＷＳｉ2 換算
で０．５〜１０重量％、特に１〜５重量％の割合で配合
する。ここでＷ化合物の平均粒径を３μｍ以下に限定し
たのは、これを大きいと最終焼結体中におけるＷＳｉ2
の粒径も３μｍを越え、これが逆に破壊源となり、強度
の向上効果が発揮されないためである。また、その量を
上記の範囲に限定したのは、０．５重量％より少ないと
ＷＳｉ2 分散による粒界の軟化防止効果が十分でなく、
１０重量％を越えると、粒界相への溶解量が増加し、融
点を低下させてしまうため目的の強度が得られない。
【００１１】そして、上記のようにＷ化合物を添加した
混合物を所望の成形手段、例えば、金型プレス，冷間静
水圧プレス，押出し成形等により任意の形状に成形後、
真空１０ｔｏｒｒ以下の減圧中、８００℃〜１４００℃
の温度で加熱処理する。この加熱処理によりＷ化合物と
窒化珪素または酸化珪素とを反応させ、ＷＳｉ2 を生成
させる。この時の熱処理時の圧力を１０ｔｏｒｒ以下の
減圧にすることにより、Ｗ化合物と窒化珪素もしくは酸
化珪素との反応を促進し、かつ反応の際生成する一酸化
珪素や、窒素を成形体外部へ迅速に排出し、粒界相組成
の変化やボイドの生成を防ぐのである。従って、圧力が
１０ｔｏｒｒを越えたり、処理温度が８００℃より低い
といずれも生成ガスの排出が十分でなく、ボイドが焼結
体中に残存するために目的の強度が得られない。また処
理温度が１４００℃を越えると、窒化珪素自身が分解し
始めるからである。
混合物を所望の成形手段、例えば、金型プレス，冷間静
水圧プレス，押出し成形等により任意の形状に成形後、
真空１０ｔｏｒｒ以下の減圧中、８００℃〜１４００℃
の温度で加熱処理する。この加熱処理によりＷ化合物と
窒化珪素または酸化珪素とを反応させ、ＷＳｉ2 を生成
させる。この時の熱処理時の圧力を１０ｔｏｒｒ以下の
減圧にすることにより、Ｗ化合物と窒化珪素もしくは酸
化珪素との反応を促進し、かつ反応の際生成する一酸化
珪素や、窒素を成形体外部へ迅速に排出し、粒界相組成
の変化やボイドの生成を防ぐのである。従って、圧力が
１０ｔｏｒｒを越えたり、処理温度が８００℃より低い
といずれも生成ガスの排出が十分でなく、ボイドが焼結
体中に残存するために目的の強度が得られない。また処
理温度が１４００℃を越えると、窒化珪素自身が分解し
始めるからである。
【００１２】上記のように熱処理を施した後、公知の焼
成方法、例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガ
ス圧力焼成、さらにはこれらの焼成後の熱間静水圧焼成
（ＨＩＰ）焼成、およびガラスシ−ルＨＩＰ焼成等で焼
成することにより緻密な焼結体を得る。この時の焼成
は、高温すぎると主相である窒化珪素結晶が粒成長し強
度が低下するため、非酸化性雰囲気中で１６００〜１９
００℃、特に１６５０〜１８５０℃の窒素ガス含有非酸
化性雰囲気であることが望ましい。この焼成により窒化
珪素は、原料がα、βのいずれの場合においてもβ−Ｓ
ｉ3 Ｎ4 となる。
成方法、例えば、ホットプレス方法、常圧焼成、窒素ガ
ス圧力焼成、さらにはこれらの焼成後の熱間静水圧焼成
（ＨＩＰ）焼成、およびガラスシ−ルＨＩＰ焼成等で焼
成することにより緻密な焼結体を得る。この時の焼成
は、高温すぎると主相である窒化珪素結晶が粒成長し強
度が低下するため、非酸化性雰囲気中で１６００〜１９
００℃、特に１６５０〜１８５０℃の窒素ガス含有非酸
化性雰囲気であることが望ましい。この焼成により窒化
珪素は、原料がα、βのいずれの場合においてもβ−Ｓ
ｉ3 Ｎ4 となる。
【００１３】この焼成により最終的にはβ−窒化珪素主
結晶相と、周期律表第３ａ族元素、アルミニウム、酸
素、珪素および窒素を含む粒界相からなり、その粒界相
中にＷＳｉ2 が３μｍ以下の粒子径で分散した焼結体を
得ることができる。
結晶相と、周期律表第３ａ族元素、アルミニウム、酸
素、珪素および窒素を含む粒界相からなり、その粒界相
中にＷＳｉ2 が３μｍ以下の粒子径で分散した焼結体を
得ることができる。
【００１４】なお、本発明に用いられる周期律表第３ａ
族元素としては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ，Ｌｕが望ましい。こ
れらの元素間での特性の有意差はあまりないが、安価に
入手できる点でＹが最も望ましい。
族元素としては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ，Ｌｕが望ましい。こ
れらの元素間での特性の有意差はあまりないが、安価に
入手できる点でＹが最も望ましい。
【００１５】
【作用】窒化珪素質焼結体の機械的特性および熱的特性
は、主結晶相であるβ−窒化珪素相とその粒界相により
決定される。粒界相を周期律表第３ａ族元素と珪素とア
ルミニウムと酸素と窒素から構成させ、しかも平均粒径
が３μｍ以下の微細なＷＳｉ2 結晶を分散させることに
より微細なＷＳｉ2 がピニングとなり、粒界相の軟化を
防止する結果、焼結体としての高温特性を高めることが
できる。
は、主結晶相であるβ−窒化珪素相とその粒界相により
決定される。粒界相を周期律表第３ａ族元素と珪素とア
ルミニウムと酸素と窒素から構成させ、しかも平均粒径
が３μｍ以下の微細なＷＳｉ2 結晶を分散させることに
より微細なＷＳｉ2 がピニングとなり、粒界相の軟化を
防止する結果、焼結体としての高温特性を高めることが
できる。
【００１６】しかも、本発明によれば、市販の安価なＷ
化合物を用いてこれを焼成前に熱処理してＷＳｉ2 化し
た後に焼成するために、Ｗ化合物の焼成時の窒化珪素や
酸化珪素との反応に伴う弊害を防止することができ、Ｗ
Ｓｉ2 の分散効果を最大限発揮させることができる。そ
れにより、室温から１０００℃の高温まで優れた機械的
特性を付与することができる。
化合物を用いてこれを焼成前に熱処理してＷＳｉ2 化し
た後に焼成するために、Ｗ化合物の焼成時の窒化珪素や
酸化珪素との反応に伴う弊害を防止することができ、Ｗ
Ｓｉ2 の分散効果を最大限発揮させることができる。そ
れにより、室温から１０００℃の高温まで優れた機械的
特性を付与することができる。
【００１７】
【実施例】 実施例１ 窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ2 ／ｇ、α率９８
％、酸素量１．２重量％）と各種の周期律表第３ａ族元
素酸化物粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末、
酸化タングステン粉末（平均粒径１μｍ）を用いて、表
１に示す組成になるように調合後、１ｔ／ｃｍ2 で金型
成形した。得られた成形体に対して、表１に示すような
条件で熱処理してＷＳｉ2 を生成させた。この処理後の
成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れて、常圧の窒素ガス気
流中で表１の条件で焼成した。
％、酸素量１．２重量％）と各種の周期律表第３ａ族元
素酸化物粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末、
酸化タングステン粉末（平均粒径１μｍ）を用いて、表
１に示す組成になるように調合後、１ｔ／ｃｍ2 で金型
成形した。得られた成形体に対して、表１に示すような
条件で熱処理してＷＳｉ2 を生成させた。この処理後の
成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れて、常圧の窒素ガス気
流中で表１の条件で焼成した。
【００１８】得られた焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および１０
００℃での４点曲げ抗折強度試験を実施した。また鏡面
仕上げを行ったサンプルのＳＥＭ観察によりＷＳｉ2 粒
子の大きさを測定した。測定の結果は表１に示した。
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および１０
００℃での４点曲げ抗折強度試験を実施した。また鏡面
仕上げを行ったサンプルのＳＥＭ観察によりＷＳｉ2 粒
子の大きさを測定した。測定の結果は表１に示した。
【００１９】
【表１】
【００２０】表１の結果によると、ＷＳｉ2 の分散量が
０．５重量％より少ないか、もしくは１０重量％を越え
る試料Ｎo. ８，９は高温強度が低下しており、熱処理
における減圧での処理温度が８００℃より低いか１４０
０℃を越える場合、または圧力が１０ｔｏｒｒ以上の減
圧で行った試料Ｎo.１５、１８、２０では強度特性は低
く目的の特性は得られなかった。
０．５重量％より少ないか、もしくは１０重量％を越え
る試料Ｎo. ８，９は高温強度が低下しており、熱処理
における減圧での処理温度が８００℃より低いか１４０
０℃を越える場合、または圧力が１０ｔｏｒｒ以上の減
圧で行った試料Ｎo.１５、１８、２０では強度特性は低
く目的の特性は得られなかった。
【００２１】これらの比較例に対して、その他の本発明
に基づく試料は、いずれも抗折強度に優れており、室温
および１０００℃でいずれも９００ＭＰａ以上の強度が
達成された。
に基づく試料は、いずれも抗折強度に優れており、室温
および１０００℃でいずれも９００ＭＰａ以上の強度が
達成された。
【００２２】実施例２ 実施例１において、タングステン化合物として数種の粒
径の異なる粉末を準備し、これを表２の組成となるよう
に、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形した。そしてこの成形体を
１ｔｏｒｒの減圧下で１１００℃で５時間処理した後、
さらに窒素中で１８００℃で５時間常圧焼成した。得ら
れた焼結体に対して実施例１と同様にして特性の評価を
行った。
径の異なる粉末を準備し、これを表２の組成となるよう
に、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形した。そしてこの成形体を
１ｔｏｒｒの減圧下で１１００℃で５時間処理した後、
さらに窒素中で１８００℃で５時間常圧焼成した。得ら
れた焼結体に対して実施例１と同様にして特性の評価を
行った。
【００２３】成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れて、組成
変動を少なくするために、雰囲気を制御し１１００℃５
時間（１ｔｏｒｒ）１８００℃５時間の条件で焼成し
た。
変動を少なくするために、雰囲気を制御し１１００℃５
時間（１ｔｏｒｒ）１８００℃５時間の条件で焼成し
た。
【００２４】得られた焼結体をＪＩＳ−Ｒ１６０１にて
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および1000
℃での４点曲げ抗折強度試験を実施した。また鏡面仕上
げを行ったサンプルのＳＥＭ観察によりＷＳｉ2 粒子の
大きさを測定した。結果は表２に示した。
指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試
料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温および1000
℃での４点曲げ抗折強度試験を実施した。また鏡面仕上
げを行ったサンプルのＳＥＭ観察によりＷＳｉ2 粒子の
大きさを測定した。結果は表２に示した。
【００２５】
【表２】
【００２６】表２の結果によると、Ｗ化合物の平均粒径
が３μｍを越えると、ＷＳｉ2 の平均粒径も３μｍを越
える傾向にあり、その結果、Ｗ化合物の平均粒径が３μ
ｍを越えるＮo.２５〜２８はいずれも強度の低いもので
あった。従って、Ｗ化合物の平均粒径は３μｍ以下であ
ることが重要であることがわかる。
が３μｍを越えると、ＷＳｉ2 の平均粒径も３μｍを越
える傾向にあり、その結果、Ｗ化合物の平均粒径が３μ
ｍを越えるＮo.２５〜２８はいずれも強度の低いもので
あった。従って、Ｗ化合物の平均粒径は３μｍ以下であ
ることが重要であることがわかる。
【００２７】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の窒化珪素質
焼結体の製造方法によれば、Ｗ化合物の窒化珪素や酸化
珪素との反応による焼結体への悪影響を低減し、焼結体
中にＷＳｉ2 を微細に分散することができ、しかも安価
な原料を用いて、室温から１０００℃まで高強度の焼結
体を作製することができる。
焼結体の製造方法によれば、Ｗ化合物の窒化珪素や酸化
珪素との反応による焼結体への悪影響を低減し、焼結体
中にＷＳｉ2 を微細に分散することができ、しかも安価
な原料を用いて、室温から１０００℃まで高強度の焼結
体を作製することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/596
Claims (1)
- 【請求項１】窒化珪素を主成分とし、添加成分として少
なくとも周期律表第３ａ族元素酸化物、酸化アルミニウ
ムを含み、さらに平均粒径が３μｍ以下のタングステン
化合物（ただし、Ｗの珪化物を除く）をＷＳｉ2 換算で
全量中０．５〜１０重量％の割合で含む成形体を１０ｔ
ｏｒｒ以下の減圧中、８００℃〜１４００℃の温度で加
熱して平均粒径３μｍ以下のＷＳｉ2 を生成させた後、
これを非酸化性雰囲気中で焼成することを特徴とする窒
化珪素質焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23650994A JP3241215B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23650994A JP3241215B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08104570A JPH08104570A (ja) | 1996-04-23 |
| JP3241215B2 true JP3241215B2 (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=17001771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23650994A Expired - Fee Related JP3241215B2 (ja) | 1994-09-30 | 1994-09-30 | 窒化珪素質焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3241215B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109851369B (zh) * | 2019-01-24 | 2022-04-05 | 江西中科上宇科技有限公司 | 一种制备高热导率氮化硅陶瓷的方法 |
-
1994
- 1994-09-30 JP JP23650994A patent/JP3241215B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08104570A (ja) | 1996-04-23 |
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