JP2004091838A - Corrosion resistant cermet and pump parts - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、水中に設置されるポンプ装置に備えられて水中に没して使用される摺動部品に用いて最適な耐食性サーメット及び該耐食性サーメットを用いたポンプ部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、海水をはじめとして、ハロゲンイオンを含む汚水や河川水等を揚水するのに使用されるポンプ装置は、主に水中で回転して揚水する羽根車と、水中を貫通して羽根車に動力を伝達する主軸及び水中で用いられる軸受(水中軸受)とから一般に構成されている。水中軸受は、主軸との回転摺動部を有しており、その機能上、耐食性と耐摩耗性が要求される。また、羽根車の出口後の高圧部から羽根車の入口側への揚水の漏れを防止するため、回転側にウェアリングと称するリングを嵌め込み、静止側に嵌め込んだライナリングとの間にごく狭い隙間をもって対峙させて摺動させ、これによって、高圧側から低圧側への揚水の漏れを防ぎ、ポンプ効率が低下しないようにすることも広く行われている。
【0003】
これらのポンプ部品には、多くの場合、海水などの揚水そのものが固定側と回転側の両部品の端面や摺動面に接して運転される構造のものが多く、従来、海水用として使用される、回転体と固定体とが機械的に摺動する部分に取付けられる部品(以下、単に摺動部品と称す)には、耐食性と耐摩耗性の点から、金属のみならず種々のセラミックス等が一般に使用されている。例えば、水中に使用される水中軸受やライナリング等の固定側の摺動部品として、SiCやSi3N4系のセラミックスを、軸スリーブやウェアリング等の回転側の摺動部品として、WC系やTiC系のサーメットをそれぞれ用いた組合せが、海水中等において使用されるようになってきている。この水中で使用される摺動部品に用いられるサーメットには、高融点金属の炭化物、例えば、WC系の金属バインダ(結合剤)として、主にNiやCoが用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば海水や河川水等の腐食性の高い雰囲気で用いられる摺動部品には、耐摩耗性と耐食性の点から、完全に満足できる材質はまだ実現できていないのが現状である。例えば、前述のように、金属バインダとしてCoを使用したWC系サーメットを海水用ポンプの摺動部品等に用いると、主にWCの境界に存在する結合材のCo成分が、主軸との接触部において優先的に腐食(選択腐食)されて遊離・消滅し、WC成分の粒子のみが残り、その部分が脆くなって欠落することがある。
【0005】
なお、金属バインダとして、Co,Cu,Fe,Ni,Agを用いたTiC系サーメットが知られている。しかし、いずれの結合材料も、海水等の腐食性の雰囲気では耐食性が低く、これらの金属バインダを用いたTiC系サーメットを海水中等で用いる摺動部品等に使用すると、耐食性の面で問題があると考えられる。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、海水や河川水等の腐食性の高い雰囲気で用いる摺動部品として使用しても、十分な耐摩耗性と耐食性を有し、耐久性を向上させた耐食性サーメット及び該耐食性サーメットを使用したポンプ部品を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、WC、Cr3C2またはTiCの炭化物を金属バインダで固めたものであって、前記金属バインダは、Ni、Coまたはそれらの混合材料に、Crと、Va族またはVIa族の金属元素の一種または一種以上とを加えたものであることを特徴とする耐食性サーメットである。
【0008】
サーメットの金属バインダとして、Ni、Coまたはそれらの混合物からなる基材に、Crを添加したものを使用することでサーメットとしての耐食性を向上させることができる。しかしながら、Crの含有量が5重量%を超えると、Crが炭化物を形成して基材を消費するため、基材の耐食性が低下してしまう。ここで、Crの他に、Crより炭化物生成エネルギの低いVa族またはVIa族の金属元素、例えばMo、TaまたはNbの一種あるいは一種以上とを、Ni、Coまたはそれらの混合物からなる基材に添加することで、Crの含有量が5重量%を超えても、Cr炭化物の生成を防止して、耐食性を向上させることができる。
【0009】
請求項2に記載の発明は、前記金属バインダは、5〜35重量%のCrを有することを特徴とする請求項1記載の耐食性サーメットである。前述のように、Crより炭化物生成エネルギの低い、Va族またはVIa族のMoやTa等の金属元素をCrに混合してNi等の基材に添加して、Cr炭化物の生成を防止することで、金属バインダに最大35重量%のCrの混合が可能となる。
【0010】
請求項3に記載の発明は、前記Va族またはVIa族の金属元素はTaまたはMoで、前記Taを前記Crの含有量に対して77.5重量%以上、または前記Moを前記Crの含有量に対して95重量%以上含むことを特徴とする請求項1または2記載の耐食性サーメットである。Cr、Ta及びMoの各々の安定化した炭化物を各々Cr3C2,Ta2C,MoCとすると、Cr含有量に対してTaで約77.5重量%以上、Moで約95重量%以上含むようにすることで、Cr炭化物が生成されることを有効に防止することができる。
【0011】
請求項4に記載の発明は、WC、Cr3C2またはTiCの炭化物を金属バインダで固めたものであって、前記金属バインダは、Ni、Coまたはそれらの混合材料に、Crと、Va族またはVIa族の金属元素の一種または一種以上とを加えたものである耐食性サーメットで構成されたポンプ部品である。
【0012】
請求項5に記載の発明は、WC、Cr3C2またはTiCの炭化物を金属バインダで固めたものであって、前記金属バインダは、Ni、Coまたはそれらの混合材料に、Crと、Va族またはVIa族の金属元素の一種または一種以上とを加えたものである耐食性サーメットで構成されたポンプ部品を有することを特徴とするポンプ装置である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態の耐食性サーメットでポンプのすべり軸受の回転側摺動部品(ポンプ部品)を構成した例を示す。図1に示すように、例えばSUS316製で段部10aを有する回転自在な主軸10には、本発明の耐食性サーメットで構成した円筒状の軸受スリーブ12が、円筒状で主軸10に固定した固定スリーブ14と主軸10の段部10aとの間に挟まれて、主軸10に対して回転不能かつ軸方向に移動不能に取付けられている。つまり、軸受スリーブ12は、主軸10と一体に回転し、その軸方向に沿った移動が規制されるようになっている。
【0014】
この軸受スリーブ12の外周部には、例えば炭化珪素(SiC)または窒化珪素(Si3N4)を主成分とするセラミックス製の円筒状の軸受ブッシュ16が配置され、この軸受ブッシュ16は、金属製のバックシェル18の内周面に固着されており、その外周面に緩衝材20を挟んで軸受ケース22に組み込まれている。
これにより、軸受スリーブ12の外周面が回転側の摺動面となって、軸受スリーブ12が回転側摺動部品となり、軸受ブッシュ16の内周面が固定側の摺動面となって、軸受ブッシュ16が固定側摺動部品となるように構成されている。
【0015】
ここで、軸受スリーブ12は、WC、Cr2C2またはTiC等の炭化物を金属バインダで焼き固めた焼結体からなる耐食性サーメットで構成されている。この金属バインダは、Ni、CoまたはNiとCoの混合材料を基材として、この基材(Ni基材、Co基材またはNi+Co基材)に、Crと、Va族またはVIa族の金属元素、例えばNb、TaまたはMo、またはこれらの混合物を加えたものである。
【0016】
この金属バインダ中のCr含有量は、例えば5〜35重量%に設定されている。またCrの他に、例えばVa族のTaを添加した場合は、このTaをCrの含有量に対して77.5重量%以上、VIa族のMoを添加した場合は、このMoをCrの含有量に対して90重量%以上含むようになっている。
【0017】
このように、サーメットの金属バインダとして、Ni基材、Co基材またはNi+Co基材に、Crを添加したものを使用することでサーメットとしての耐食性を向上させることができる。しかも、金属バインダとして、Ni基材等に、Crの他に、Crより炭化物生成エネルギの低いVa族またはVIa族の金属元素、例えばMo、TaまたはNbの一種類あるいは複数種類を混合したものを、例えばCrと当量添加したものを使用することで、Crの含有量が5重量%を超えても、Cr炭化物が生成されて基材が消費されてしまうことを防止して耐食性を向上させ、しかも、金属バインダに最大35重量%のCrの混合が可能となる。
【0018】
また、Cr、Ta及びMoの各々の安定化した炭化物を各々Cr3C2,Ta2C,MoCとすると、Crの他に、TaをCrの含有量に対して77.5重量%以上、またはMoを前記Crの含有量に対して95重量%以上含むようにすることで、Cr炭化物が生成されることを有効に防止することができる。
【0019】
図2は、本発明の他の実施の形態の耐食性サーメットでポンプのすべり軸受の回転側摺動部品(ポンプ部品)を構成した例を示す。この例の図1に示す実施の形態と異なる点は、主軸10のフランジ部10bと主軸10に固定した固定スリーブ14との間に、本発明の耐食性サーメットで構成した円筒状の軸受スリーブ12を挟持して、主軸10に対して回転不能かつ軸方向に移動不能に取付けている点である。その他の構成は、図1に示す実施の形態と同様であるので、ここでは図示を省略している。
【0020】
なお、前記各例では、回転側摺動部品としての軸受スリーブに適用し、固定側摺動部品としてのセラミックス製の軸受ブッシュと組合せて使用することで、耐摩耗、耐腐食の点から従来の軸受に比べて長い寿命を示すようにした例を示しているが、回転側摺動部品としての軸受スリーブ、固定側摺動部品としての軸受ブッシュの双方に適用したり、固定側摺動部品としての軸受ブッシュに適用し、回転側摺動部品としてのセラミックス製の軸受スリーブと組合せて使用したりしてもよい。
【0021】
更に、ポンプ部品の中には、羽根車のウェアリングとライナリング部分のように、回転部と固定部が水中において摺動する部品は多くあり、サーメットは、元来耐摩耗性に優れているため、金属バインダの耐食性を増加させることで、これらの部品にも適用可能である。また、海水以外の他の汚水や下水の場合は、ハロゲンイオンの濃度が海水より低いため、その他のイオンが多量に含まれない限り、これらの揚水に使用されるポンプの摺動部品にも適用できる。
【0022】
図3に、Ni基材あるいはNi+Co基材中に、4.8重量%、5.3重量%、6.4重量%、8.2重量%、11.8重量%、25重量%のCrを含む金属バインダを使用して成形したWC系サーメット材料、Ni基材中に、6.5重量%のCrと6.5重量%のMoを含む金属バインダを使用して成形したWC系サーメット材料、及びNi+Co基材中に、13.5重量%のCrと11.5重量%のMoとTaとの混合物を含む金属バインダを使用して成形したWC系サーメット材料の海水中における陽極分極曲線を調べた実験結果を示す。ここで、縦軸は電流密度を示し、腐食速度に相当する。横軸は、電位で活性化エネルギの大きさを示す。
【0023】
この図3により、Crの添加量が増加するに従い、低活性化エネルギ領域で、電流密度が減り、腐食速度が減少するが、活性化エネルギの増加とともに、4.8重量%以上のCrを含む金属バインダを使用して成形したサーメット材料にあっては、電位が300mV付近および700〜800mV付近に電流密度のピークが発生する。これは、実際の環境では、軸受の取付け材料や酸素の供給状況により、ピーク付近で激しく腐食が発生することを示している。
【0024】
これに対して、Ni基材中に、6.5重量%のCrと6.5重量%のMoを含む金属バインダを使用して成形したWC系サーメット材料、及びNi+Co基材中に、13.5重量%のCrと11.5重量%のMoとTaとの混合物を含む金属バインダを使用して成形したWC系サーメット材料にあっては、該当する電位域に電流密度のピークが発生せず、高耐食性を示すことが判る。
【0025】
この時に使用した各サーメット材料の各成分と機械的性質を下記の表1に示す。
【表1】
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サーメットの金属バインダとして、Ni、Coまたはそれらの混合物からなる基材に、Crの他に、Crより炭化物生成エネルギの低いVa族またはVIa族の金属元素の一種または一種以上を加えたものを使用することで、Cr炭化物の生成による基材の消費量を抑えて、耐食性を向上させることができる。これによって、例えばポンプの摺動部材として使用した場合に、主成分の組織の境界での選択腐食の発生を抑え、耐久性を向上させて、その寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の耐食性サーメットでポンプのすべり軸受の回転側部品(ポンプ部品)を構成した例を示す断面図である。
【図2】本発明の他の実施の形態の耐食性サーメットでポンプのすべり軸受の回転側部品(ポンプ部品)を構成した例を示す断面図である。
【図3】重量の異なるCrを含む金属バインダ、CrとMoを含む金属バインダ、及びCrと、MoとTaとの混合物を含む金属バインダをそれぞれ使用して成形したWC系サーメット材料の海水中における陽極分極曲線を調べた実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
10 主軸
12 軸受スリーブ
14 固定スリーブ
16 軸受ブッシュ
18 バックシェル
20 緩衝材
22 軸受ケース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a corrosion-resistant cermet that is optimally used for a sliding component provided in a pump device installed in water and used by being immersed in water, and a pump component using the corrosion-resistant cermet.
[0002]
[Prior art]
For example, pump devices used to pump seawater, sewage containing halogen ions, river water, and the like mainly use an impeller that rotates and pumps water in water, and an impeller that penetrates water and supplies water. And a bearing used in water (underwater bearing). The underwater bearing has a rotary sliding portion with the main shaft, and its function requires corrosion resistance and wear resistance. Also, in order to prevent leakage of water from the high-pressure section after the impeller outlet to the inlet side of the impeller, a ring called a wear ring is fitted on the rotating side, and a very small distance is formed between the ring and the liner ring fitted on the stationary side. It is also widely practiced that the pump slides against each other with a narrow gap, thereby preventing leakage of pumped water from the high pressure side to the low pressure side and preventing the pump efficiency from being reduced.
[0003]
In many cases, these pump parts have a structure in which the pumped water itself such as seawater is operated in contact with the end surfaces and sliding surfaces of both the fixed side and the rotating side parts, and is conventionally used for seawater. The parts attached to the part where the rotating body and the fixed body mechanically slide (hereinafter simply referred to as sliding parts) include not only metals but also various ceramics from the viewpoint of corrosion resistance and wear resistance. Is commonly used. For example, as a sliding part of the fixed side, such as water bearing or liner rings used in water, the SiC or Si 3 N 4 based ceramic, as a sliding part of the rotation-side, such as the shaft sleeve and wear rings, WC-based Combinations using TiC and cermets have been used in seawater and the like. The cermet used for the sliding parts used in water mainly uses carbide of a high melting point metal, for example, Ni or Co as a WC-based metal binder (binder).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, for sliding parts used in highly corrosive atmospheres such as seawater and river water, it is the present situation that a completely satisfactory material has not yet been realized in terms of wear resistance and corrosion resistance. For example, as described above, when a WC-based cermet using Co as a metal binder is used for a sliding part of a seawater pump, the Co component of a binder mainly present at the boundary of the WC causes a contact portion between the WC and the main shaft. In this case, corrosion (selective corrosion) is preferentially caused to be released and eliminated, leaving only particles of the WC component, and the portion may become brittle and may be missing.
[0005]
Note that TiC-based cermets using Co, Cu, Fe, Ni, and Ag are known as metal binders. However, any of the bonding materials has low corrosion resistance in a corrosive atmosphere such as seawater. If a TiC-based cermet using such a metal binder is used for a sliding part or the like used in seawater or the like, there is a problem in corrosion resistance. it is conceivable that.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has sufficient abrasion resistance and corrosion resistance even when used as a sliding component used in a highly corrosive atmosphere such as seawater or river water, and has improved durability. It is an object of the present invention to provide a corrosion-resistant cermet and a pump component using the corrosion-resistant cermet.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is characterized in that carbide of WC, Cr 3 C 2 or TiC is solidified with a metal binder, and the metal binder is composed of Ni, Co or a mixed material thereof, with Cr and Va group. Alternatively, it is a corrosion-resistant cermet characterized by being added with one or more of Group VIa metal elements.
[0008]
The corrosion resistance of the cermet can be improved by using, as a metal binder of the cermet, a substrate made of Ni, Co, or a mixture thereof, to which Cr is added. However, when the content of Cr exceeds 5% by weight, Cr forms carbides and consumes the base material, so that the corrosion resistance of the base material is reduced. Here, in addition to Cr, a metal element of a Va group or a VIa group having a lower carbide generation energy than Cr, for example, one or more of Mo, Ta or Nb is added to a substrate made of Ni, Co or a mixture thereof. By adding Cr, even if the content of Cr exceeds 5% by weight, the formation of Cr carbide can be prevented, and the corrosion resistance can be improved.
[0009]
The invention according to claim 2 is the corrosion-resistant cermet according to claim 1, wherein the metal binder has 5 to 35% by weight of Cr. As described above, mixing a metal element such as Mo or Ta of Va group or VIa group having lower carbide generation energy than Cr with Cr and adding it to a base material such as Ni to prevent generation of Cr carbide. Thus, up to 35% by weight of Cr can be mixed into the metal binder.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, the metal element of the group Va or group VIa is Ta or Mo, and the content of Ta is 77.5% by weight or more based on the content of Cr, or the content of Mo is contained in the content of Cr. The corrosion-resistant cermet according to claim 1, wherein the cermet is contained in an amount of 95% by weight or more based on the amount. Assuming that each of the stabilized carbides of Cr, Ta and Mo is Cr 3 C 2 , Ta 2 C and MoC, respectively, about 77.5 wt% or more of Ta and about 95 wt% or more of Mo with respect to the Cr content. By including it, generation of Cr carbide can be effectively prevented.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, a carbide of WC, Cr 3 C 2 or TiC is solidified with a metal binder, and the metal binder is made of Ni, Co or a mixed material thereof containing Cr and Va group. Alternatively, it is a pump component composed of a corrosion-resistant cermet to which one or more of Group VIa metal elements are added.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, a carbide of WC, Cr 3 C 2 or TiC is solidified with a metal binder, and the metal binder is made of Ni, Co or a mixed material thereof containing Cr and Va group. Alternatively, the present invention provides a pump device comprising a pump component formed of a corrosion-resistant cermet to which one or more of Group VIa metal elements are added.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example in which a rotation-side sliding part (pump part) of a sliding bearing of a pump is constituted by a corrosion-resistant cermet according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, for example, a
[0014]
A
As a result, the outer peripheral surface of the
[0015]
Here, the bearing
[0016]
The Cr content in the metal binder is set to, for example, 5 to 35% by weight. Further, in addition to Cr, for example, when Ta of the Va group is added, the Ta is added to the Cr content by 77.5% by weight or more, and when Mo of the VIa group is added, the Mo is added to the Cr content. More than 90% by weight based on the amount.
[0017]
As described above, the corrosion resistance of the cermet can be improved by using a Ni base material, a Co base material, or a Ni + Co base material to which Cr is added as the metal binder of the cermet. In addition, as the metal binder, a mixture of one or more of a metal element of the Va group or the VIa group having lower carbide generation energy than Cr, such as Mo, Ta or Nb, in addition to Cr, is used as the metal binder. For example, by using a material added with an equivalent amount of Cr, even if the content of Cr exceeds 5% by weight, it is possible to prevent the generation of the Cr carbide and consumption of the base material, and to improve the corrosion resistance. In addition, it is possible to mix up to 35% by weight of Cr in the metal binder.
[0018]
When the stabilized carbides of Cr, Ta and Mo are Cr 3 C 2 , Ta 2 C and MoC, respectively, in addition to Cr, Ta is 77.5% by weight or more based on the content of Cr. Alternatively, when Mo is contained in an amount of 95% by weight or more with respect to the Cr content, generation of Cr carbide can be effectively prevented.
[0019]
FIG. 2 shows an example in which a rotation-side sliding part (pump part) of a sliding bearing of a pump is constituted by a corrosion-resistant cermet according to another embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that a
[0020]
In addition, in each of the above examples, the present invention is applied to a bearing sleeve as a rotating-side sliding part and is used in combination with a ceramic bearing bush as a fixed-side sliding part. An example is shown in which the life is longer than that of a bearing.However, it can be applied to both a bearing sleeve as a rotating side sliding part and a bearing bush as a fixed side sliding part. May be used in combination with a bearing sleeve made of ceramics as a rotating side sliding part.
[0021]
Furthermore, among pump parts, there are many parts in which a rotating part and a fixed part slide underwater, such as a wear ring and a liner part of an impeller, and a cermet is originally excellent in wear resistance. Therefore, it can be applied to these parts by increasing the corrosion resistance of the metal binder. In addition, in the case of sewage and sewage other than seawater, the concentration of halogen ions is lower than that of seawater. Therefore, as long as other ions are not contained in large amounts, they can be applied to sliding parts of pumps used for pumping these waters. it can.
[0022]
FIG. 3 shows that 4.8% by weight, 5.3% by weight, 6.4% by weight, 8.2% by weight, 11.8% by weight, and 25% by weight of Cr were added to a Ni base material or a Ni + Co base material. A WC-based cermet material formed using a metal binder containing 6.5 wt% of Cr and 6.5 wt% of Mo in a Ni base material; Anodic polarization curve in sea water of a WC-based cermet material molded using a metal binder containing a mixture of 13.5% by weight of Cr and 11.5% by weight of Mo and Ta in a Ni + Co base material Experimental results are shown. Here, the vertical axis indicates the current density and corresponds to the corrosion rate. The horizontal axis indicates the magnitude of the activation energy in terms of the potential.
[0023]
According to FIG. 3, as the Cr addition amount increases, the current density decreases and the corrosion rate decreases in the low activation energy region. However, as the activation energy increases, 4.8% by weight or more of Cr is included. In the case of a cermet material formed using a metal binder, peaks in current density occur at potentials of around 300 mV and around 700 to 800 mV. This indicates that in an actual environment, severe corrosion occurs near the peak due to the bearing mounting material and the supply state of oxygen.
[0024]
On the other hand, in a WC-based cermet material formed using a metal binder containing 6.5% by weight of Cr and 6.5% by weight of Mo in a Ni base material, and in a Ni + Co base material, 13. In a WC cermet material formed using a metal binder containing a mixture of 5% by weight of Cr and 11.5% by weight of Mo and Ta, no current density peak occurs in a corresponding potential region. It shows that it shows high corrosion resistance.
[0025]
The components and mechanical properties of each cermet material used at this time are shown in Table 1 below.
[Table 1]
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, as a metal binder for a cermet, a base made of Ni, Co, or a mixture thereof, in addition to Cr, a Va group or VIa group metal having a lower carbide generation energy than Cr. By using one or more of the elements, the consumption of the substrate due to the generation of Cr carbide can be suppressed, and the corrosion resistance can be improved. Thereby, for example, when used as a sliding member of a pump, it is possible to suppress the occurrence of selective corrosion at the boundary of the structure of the main component, improve the durability, and extend the life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example in which a rotation-side component (pump component) of a sliding bearing of a pump is formed by a corrosion-resistant cermet according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example in which a rotation-side component (pump component) of a sliding bearing of a pump is formed by a corrosion-resistant cermet according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a WC-based cermet material formed using a metal binder containing Cr, a metal binder containing Cr and Mo, and a metal binder containing a mixture of Cr, Mo and Ta, respectively, in seawater having different weights. 5 is a graph showing an experimental result obtained by examining an anodic polarization curve.
[Explanation of symbols]
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