CN106319343A - 一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法 - Google Patents

一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法 Download PDF

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Abstract

一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法，该高强度不锈钢成分重量百分比为：C：0.02～0.15％，Si≤0.6％，Mn：2～15％，Cr：12～20％，Ni：0.5～7.0％，P≤0.04％，S≤0.03％，N：0.02～0.20％，Cu：0.5～2.0％，AL：0.001～0.08％，V：0.001～0.10％，余量为Fe和不可避免杂质，且杂质总量不超过0.05％；同时，需满足12.5≤100×(0.5×Mn+Ni+30×N)≤22。本发明高强度不锈钢抗拉强度700～1800MPa，屈服强度400～1200MPa，延伸率50～12％，满足汽车轻量化，高安全性能，耐蚀性良好等要求，该焊管制造的零部件等产品具有抗延迟开裂的能力。

Description

一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢板及钢管的制造，特别涉及一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法。
背景技术
随着对汽车环保要求的不断提高，轻量化已经成为汽车材料的发展方向。与此同时，低生命周期成本发明也是汽车行业材料设计的重要依据。为此，在汽车零部件中首先是越来越多采用了高强度钢，实现汽车的轻量化。
目前，碳钢高强钢在汽车行业已经取得广泛地应用。特别是新能源汽车行业，国外的车企已经基于环保及生命周期成本考量，材料的设计从常规的单一成本发明转为全生命周期成本的设计，提高整车的使用寿命，如将已有的碳钢车身平均8年的寿命，提高到了不锈钢车身的12～15年使用寿命，从而实现全生命周期成本降低，以提高整车的竞争力。
国外如欧洲及美洲等已经大量采用不锈钢材料制造系能源客车车身。目前的不锈钢材料还仅限于传统的不锈钢如奥氏体的SUS304不锈钢、AISI201不锈钢及1.4003等铁素体不锈钢，这些不锈钢具有良好的耐腐蚀性能及成形加工性能，但其强度指标略显不足，如屈服强度、抗拉强度仅仅在300～500MPa及400～800MPa，与已有的高强度碳钢相比，还不能满足轻量化设计要求。而传统的碳钢高强钢虽然广泛应用，强度指标如屈服强度达到700MPa，抗拉强度达到1100MPa，具备了轻量化的条件，但其耐腐蚀性远低于不锈钢，及时经过电泳涂装的涂层材料，也不能满足设计寿命12年以上。况且，电泳还带来更大的环保问题，在发达地区已经严禁新的电泳产线上马。
因此，为了实现新能源客车的高整车寿命及轻量化兼备的设计要求，高强度不锈钢的设计成为唯一选择。尤其在新能源汽车上，采用高强不锈钢来制作新能源汽车车身零部件，可以在提高车身耐腐蚀性能的同时，减少不锈钢钢材本身重量来降低整车重量，更好弥补电池容量，提高续航里程；同时，工艺中也省去了碳钢高强钢的电泳等涂装工艺，起到了环保作用。因此采用高强高耐蚀的不锈钢焊管来制作汽车车架成为优化车身材料设计和降低全生命周期成本的最佳选择。
目前公开的高强不锈钢有沉淀硬化型的马氏体不锈钢17CrNiCu及奥氏体型的AISI304，AISI301，AISI201等不锈钢。马氏体型不锈钢的延伸率较低，难以达到加工成形性能要求，而传统的奥氏体不锈钢强度难以达到1000MPA以上。以下是常见的一些具有亚稳态组织的奥氏体不锈钢的化学成分及性能。
中国专利公开号CN101545078A公开的“一种室温机械性能优良的节镍型亚稳奥氏体不锈钢”化学组成为C：0.06～0.15％，Si<1％，Mn：7.0～10.0％，Cr：15.0～17.0％，Ni：1.5～2.5％，N：0.15～0.30％，P<0.03％，S<0.02％。此钢的室温屈服强度为400～1370MPa，抗拉强度为860～1700MPa，延伸率为15～65％。
中国专利公开号CN101270455A公开的“1000MPa级节镍型亚稳态奥氏体不锈钢”化学组成是C：0.06～0.15％，Si<1％，Mn：8～10％，Cr：15～17％，Ni：0.5～1.2％、N：0.15～0.30％，P<0.03％，S<0.02％。此钢冷加工室温屈服强度高达1250MPa，抗拉强度高达1460MPa，平均室温延伸率保持在16.8％。
中国专利公开号CN104120368A公开的“一种汽车车架用高强度奥氏体不锈钢及其制造方法”化学组成为C：0.05～0.15％，Si：0.4～1％，Mn：7～10％，P≤0.03％，S≤0.01％，Cr：13～15％，Ni：1～2％，N：0.1～0.2％，Nb：0.05～0.2％，Ti≤0.1％，0.1％≤Nb+Ti≤0.25％，Ce：0.05～0.1％，此发明涉及到高强度不锈钢板的制造，屈服强度达到600MPa以上，抗拉强度达到1000MPa以上，延伸率达到28％以上。
中国专利公开号为CN103276316A公开的“一种奥氏体不锈钢及其制造方法”化学组成为C：0.03～0.12％，Si：0.3～1％，Mn：6.0～8.5％，Cr：16.0～18.0％，Ni：1.0～2.0％，N：0.10～0.25％；Cu：2.0～3.5％，Mo：0.1～0.5％；10×10-4％≤B≤30×10-4％。此专利添加了Cu，为了提高冷加工性能。
以上四个专利中前两个专利提供了两种高强奥氏体不锈钢，但是成分中不含有Mo，Nb，Ti等提高耐腐蚀性能的元素，如果用于汽车部件的制造，在冬季除雪盐的条件下难以满足耐腐蚀性能要求。第三个专利含有含有Nb，Ti，Ce等合金元素，Nb和Ti可以改善耐腐蚀性能及焊接性能，添加稀土Ce也可以改善力学性能，但其本身添加工艺比较复杂，收得率也不高，增加了合金成本。第四个专利添加了耐腐蚀性能元素如Mo等。
上述四个专利都是涉及不锈钢的板材制造，均不涉及高强度不锈钢焊管制造技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的高强度不锈钢及其焊管制造方法，该高强度不锈钢抗拉强度700～1800MPa，屈服强度400～1200MPa，延伸率12～50％，具有良好焊接及弯管成形性能，在板温不低于80℃温度条件下进行辊成型及高频(激光)焊接，所获得高强度不锈钢焊管可以保持与母材相当的力学性能指标，即具备与母材相当的抗拉强度、屈服强度及延伸率，该高强度不锈钢焊管具有良好的管成形性能及管加工性能，适合满足轻量化、高安全性能及耐蚀性等综合性能要求的汽车零部件制造；该焊管制造的零部件等产品具有抗延迟开裂的能力。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种低成本的高强度不锈钢，其成分重量百分比为：C：0.02～0.15％，Si：≤0.6％，Mn：2～15％，Cr：12～20％，Ni：0.5～7.0％，P≤0.04％，S≤0.03％，N：0.02～0.20％，Cu：0.5～2.0％，AL：0.001～0.08％，V：0.001～0.10％，余量为Fe和不可避免杂质，且杂质总量不超过0.05％；同时，需满足12.5≤100×(0.5×Mn+Ni+30×N)≤22。
优选的，本发明高强度不锈钢还包含Mo，Nb，Ti中一种或一种以上，其中，Mo≤2.0％，Nb≤0.30％，Ti≤0.20％，0.05％≤1/2×Mo+Nb+Ti≤1.2％，0.03％≤Nb+Ti≤0.40％。
所述高强度不锈钢的微观组织为奥氏体+马氏体，其抗拉强度700～1800MPa，屈服强度400～1200MPa，延伸率50～12％。
在本发明钢的成分设计中，
C：C是强烈形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，对室温下形成奥氏体组织起到重要作用。C含量过高会降低不锈钢的塑形，提高组织稳定性，不利于高强马氏体相生成，而且对不锈钢的耐蚀性不利；过低的C含量，不利于奥氏体相形成，不利于高强化。本发明C适当的百分含量设定为0.02～0.15％。
Si：Si在低镍奥氏体不锈钢的冶炼过程中可以作为脱氧剂加入，起到脱氧作用，需要一定的Si含量。Si在不锈钢中又是铁素体形成元素，为了确保不锈钢在室温下具有单相的奥氏体组织，Si的含量要加以限制，本发明Si的百分含量设计为0.2～0.6％。
Mn：Mn是不锈钢中较强烈的奥氏体组织稳定元素，并有利于提高N在钢中的溶解度。在节镍型奥氏体不锈钢中，为了确保奥氏体化，通过加入Mn并与钢中C、N等元素复合作用，部分取代Ni的奥氏体化作用，但过多的Mn对奥氏体不锈钢的耐蚀性不利，因此Mn含量不能太高，本发明的Mn含量为2～15％。
Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，是获得不锈钢耐蚀性的重要保证，因此要保证不锈钢的耐蚀性需要保证一定的Cr含量，但Cr是铁素体形成元素，过多不利于奥氏体相稳定性，因此本发明的Cr含量设定为12～20％。
Ni：Ni是形成和稳定奥氏体相最重要的元素，并且还可以增强不锈钢抗还原酸的能力，并提高不锈钢的加工性能，提高冲击韧性的作用。但是由于Ni为贵金属，可以根据不同汽车部件的要求不同，设计含量不同，本发明根据汽车部件的要求不同，控制Ni含量为0.5～7.0％。
N：N在不锈钢中是非常强烈地形成、稳定和扩大奥氏体区的元素。N在不锈钢中除了可以替代贵金属Ni外，还可以在不明显降低材料塑形和韧性的前提下，明显地提高材料的强度，不锈性和耐蚀性，并且延缓不锈钢中碳化物的析出。但是由于N在不锈钢中的溶解度有限，为了避免不锈钢在凝固过程中出现气泡，N含量必须与其它合金元素的含量匹配以确保N固溶态存在，对于焊接部件的加工，过高的N不利于焊缝的性能。本发明的N的含量设计为0.02～0.20％。
Cu：Cu含量的提高，不锈钢的热加工性能变差，但是Cu可以提高不锈钢的冷加工性能，在低于Md点0～40℃的范围内进行温成型，形变马氏体含量不明显增加，因此本发明Cu的含量为Cu：0.5～2.0％。
Al：Al是非常有效的脱氧剂，适当添加Al，可以降低钢水中的氧含量，提高Ti收得率。但是Al元素较高时，就会形成大量的铝硅尖晶石夹杂物，反而恶化材料的力学性能和耐腐蚀性能，Al含量建议为0.001～0.08％。
V：V是提高不锈钢强度性能的主要元素之一。添加V有利于提高材料的强度，特别是经过加工后的高强钢不利于焊接加工，添加V可以改善焊缝及热影响区性能。V的添加范围为0.001～0.10％。
Mo，Nb，Ti：这三者合金主要是为了提高材料的耐蚀性，因此根据部件对耐蚀性的要求不同，添加其中的一种或者几种。同时，建议：Mo：≤2.0％，Nb：≤0.30％，Ti：≤0.20％，0.05％≤1/2*Mo+Nb+Ti≤1.2％，0.03％≤Nb+Ti≤0.40％。
为了获得亚稳态的奥氏体不锈钢组织，同时对成分设计提出需满足12.5≤100*(0.5*Mn+Ni+30*N)≤22。
本发明所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述成分采用电弧炉和AOD两步法冶炼不锈钢，并铸造成板坯；
2)热轧
采用常规热轧，板坯加热温度控制在1130℃～1250℃之间；
3)热退酸洗
退火温度控制在1000℃～1100℃之间，退火时间控制在2～5min；
4)冷轧
轧制压下量控制在5％～40％，优选8％～15％的轻压下；获得最终产品厚度规格大于等于1.8mm的钢板；
5)焊管制造
焊管采用高频焊接或激光焊接，最终获得高强度不锈钢焊管，其屈服强度400～1300MPa，抗拉强度700～1800MPa，断后伸长率12～40％。
又，本发明所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按上述成分采用电弧炉和AOD两步法冶炼不锈钢，并铸造成板坯；
2)热轧
采用常规热轧，板坯加热温度控制在1130℃～1250℃之间；
3)热退酸洗
退火温度控制在1000℃～1100℃之间，退火时间控制在2～5min；
4)冷轧
轧制压下量控制在5％～40％，优选8％～12％的轻压下；
5)冷退酸洗
退火温度控制在1000℃～1150℃之间，退火时间控制在2～5min；获得最终产品厚度规格0.5mm～1.5mm的钢板；
6)焊管制造
焊管采用高频焊接或采用激光焊接，最终获得高强度不锈钢焊管，其屈服强度400～1300MPa，抗拉强度700～1800MPa，断后伸长率12～40％。
优选的，冶炼过程中采用Si脱氧，控制还原Si的量在0.4％～1％之间，使总[O]含量控制在55ppm以下；优选的，炉外精炼工序氩气软搅拌时间不低于10分钟。
优选的，所述焊管采用高频焊接，设定频率为200～350KHz，设定功率为20～80Kw，焊接速度为15～60m/min；或采用激光焊接，焊接功率为4～12Kw，焊接速度为2～8m/min。
优选的，所述焊管的厚度规格范围为0.5～6.0mm，管体周长范围为100～500mm；或为方管或者矩管，长宽比不超过5。
优选的，所述焊管焊接前排辊成型段的前段经过加热后确保板材材温不低于100℃，不超过500℃。
在本发明高强度不锈钢焊管的生产过程中：
(1)冶炼、铸造
采用电弧炉和AOD两步法冶炼不锈钢，冶炼过程中采用Si脱氧，控制还原Si的量在0.4％-1％之间。由于该钢中设计会含有少量的Ti，为了确保整体较低的夹杂物水平，需要保证还原Si含量大于0.4时，总[O]含量就可控制在55ppm以下，钢水纯净度可以得到有效保证。炉外精炼工序氩气软搅拌时间不低于10分钟。
(2)热轧
该合金设计在高温下会出现部分铁素体组织，而热轧加热温度直接影响高温状态下板坯铁素体组织含量，进而影响热轧过程钢卷边部的质量，为了降低边部开裂倾向，铁素体含量必须控制在较低水平。因此，要根据合金成分计算其热力学相图，以确保钢在所制定的加热温度区间内不会产生大量的铁素体组织，本发明设计的合金体系需将加热温度控制在1130℃-1250℃之间，太低轧制压力大，生产困难，而过高时会导致边裂。
(3)热退酸洗工艺
热轧板退火酸洗环节需确保碳化物充分固溶，否则耐腐蚀性能和力学性能都会受到影响，因此退火温度需要控制在1000℃-1100℃之间。退火时间控制在2～5min
(4)调质轧制
a、对于最终产品厚度大于等于1.8mm的钢板，建议采用工艺路径1。为了确保其屈服强度达到600MPa以上，同时具备30％以上的延伸率，必须将热轧酸洗后的控制轧制压下量控制在5％-40％以内，优选8％-15％。轧制后钢卷经过脱脂清洗掉表面油污后即可转入成品库。
b、对于最终产品厚度规格0.5mm-1.5mm的钢板，建议采用工艺路径2。对经过步骤3后的钢板进行轧制，轧制过程中控制压下量在50％-80％，轧后钢带在900℃-1000℃之间退火处理后，再进行控制轧制，压下量控制在5％-40％的轧制，优选8％-12％的轻压下。轧后钢板经过脱脂清洗表面油污后即可使用。
(5)焊管制造
经过上述工艺生产的不锈钢板，通过分条获得满足不同规格要求的钢管原料，通过排辊成形及高频或激光焊接获得不同规格的方管或矩管。其中排辊成形前不锈钢带实施外部加热，利用电阻加热但不限于电阻加热方式，将板带的整体温度快速提高到80～300℃(加热与焊接实现同步即可)，有利于板带的焊管成形且不会导致钢管折弯部位的过度硬化，消除局部折弯处的微裂纹。
焊管制造可以在专用的焊管成形加工产线进行。设计焊管的厚度规格范围为0.5～6.0mm，管体周长范围为100～500mm，可以为方管或者矩管，长宽比不超过5。
焊管采用高频焊接设定频率为200～350KHz，设定功率为20～80Kw，焊接速度为15～60m/min；焊管采用激光焊接工艺时焊接功率为4～12Kw，焊接速度为2～8m/min。焊管焊接前的排辊成型段前段经过加热后确保板材材温不低于100℃，不超过500℃，外焊缝采用除毛刺工艺确保外表面平整。焊管可以按照不同倍尺要求进行锯切包装。
激光焊接采用二氧化碳激光发生器，焊接功率为4～12Kw，焊接速度为2～8m/min。焊接加工同步实现外焊缝的去毛刺，确保外表面整洁光滑，有利于后续的弯管成形加工，可以顺利实现后续的弯管等管加工工艺要求。
对于成形性要求较高的高强不锈钢，亚稳奥氏体不锈钢通常是主要选择。形变诱导马氏体模式是亚稳态奥氏体不锈钢的高强化机制，即通过冷变形来提高材料的强度。与此同时，不可避免要产生形变马氏体并伴有残余应力。对于有后道加工要求的焊管零部件来说，后续的管加工如排辊成形及弯管制造过程中的冷变形，还会导致亚稳态奥氏体不锈钢会进一步形变诱导马氏体和更大的残余应力的产生，致使材料局部的塑形降低，对管成型加工不利，导致折弯部位或者复杂零部件局部开裂；对于奥氏体不锈钢，大量的形变马氏体会出现相变应力和残余应力叠加导致材料延迟开裂的风险。因此，通过形变诱导马氏体钢强化的高强奥氏体不锈钢在后续零部件加工中需要规避进一步加工硬化及成形开裂失效等问题。
本发明采用如上所示的合金设计，利用形变诱导马氏体强化机制制造高强度耐腐蚀的不锈钢，利用带温(温度不超过300℃)排辊成形及弯管加工，可以获得与母材本体性能相当的管件，特别是获得复杂成形的管件，消除因为排辊成形异型管局部折弯处性能恶化导致的延迟开裂等质量问题，有利于加工成复杂的零部件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
但与本发明相比，本发明还同时添加了Al和V，在更有利于脱氧及改善材料的纯净度的同时，还可以提高基体材料的强度，特别是焊接加工时热影响区的强度
本发明高强度不锈钢需同时满足Md30(变形30％，诱发50％马氏体转变的温度)不小于-40℃，以及高强度不锈钢Md(形变诱导马氏体转变的温度)不低于80℃，即-40℃≤Md30且80℃≤Md。采用该不锈钢板利用排辊成形方式和高频(激光)焊接方式可以直接焊接成不同规格的不锈钢圆管或异型管，其中钢板厚度范围为0.50～6.00m。在焊管制造过程中利用外部加热(电感应加热、电阻炉式加热及其他外来加热方式等)使钢板温度升温超过80℃且不高于200℃后再进行管成形，可以有效降低局部特别是折弯部位的硬化现象，不仅使钢管基本保持与钢板同等的强度性能指标，以改善后续钢管的弯管成形等加工性能，同时还避免折弯部位出现局部微裂纹影响后续使用。
制造的高强度不锈钢焊管之后采用辊压、折弯、冲压等成型的方法，可以制造出屈服强度400～1300MPa，抗拉强度700～1800MPa，断后伸长率12～40％的复杂成型的管产品，用于组成制造各种钢结构部件如客车车架等。该成分及制造方法制造的不锈钢管还同时具有良好耐蚀性、高强度以及良好的抗延迟开裂能力，特别适用于复杂成形加工及高强度设计要求的零部件制造。
同时，由于采用耐蚀的不锈钢材料，还可以节省常规碳钢材料需要采用的电泳处理等影响环保的工艺技术，对诸如满足汽车轻量化，高安全性能，耐蚀性良好等要求的零部件最为适合。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
材料准备：
根据上述所设计的化学成分范围，如表1、表2所示，经过两条工艺路径获得不同强度级别的高强不锈钢。
根据控制轧制工艺，获得不同含量的马氏体组织，从而获得对应不同强度的高强不锈钢，根据成分和控制轧制，可以获得抗拉强度700～1800MPa，屈服强度400～1200MPa，伸长率达到50～12％的高强不锈钢。
焊管制造：
焊管制造实施例如表2所示，即可获得所需要的焊接钢管。

Claims (10)

1.一种低成本的高强度不锈钢，其成分重量百分比为：C：0.02～0.15％，Si：≤0.6％，Mn：2～15％，Cr：12～20％，Ni：0.5～7.0％，P≤0.04％，S≤0.03％，N：0.02～0.20％，Cu：0.5～2.0％，AL：0.001～0.08％，V：0.001～0.10％，余量为Fe和不可避免杂质，且杂质总量不超过0.05％；同时，需满足12.5≤100×(0.5×Mn+Ni+30×N)≤22。
2.如权利要求1所述的低成本的高强度不锈钢，其特征是，还包含Mo，Nb，Ti中一种或一种以上，其中，Mo≤2.0％，Nb≤0.30％，Ti≤0.20％，0.05％≤1/2×Mo+Nb+Ti≤1.2％，0.03％≤Nb+Ti≤0.40％。
3.如权利要求1或2所述的低成本的高强度不锈钢，其特征是，所述高强度不锈钢的微观组织为奥氏体+马氏体。
4.如权利要求1或2或3所述的低成本的高强度不锈钢，其特征是，所述高强度不锈钢的抗拉强度700～1800MPa，屈服强度400～1200MPa，延伸率12～50％。
5.如权利要求1或2所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1或2所述成分采用电弧炉和AOD两步法冶炼不锈钢，并铸造成板坯；
2)热轧
采用常规热轧，板坯加热温度控制在1130℃～1250℃之间；
3)热退酸洗
退火温度控制在1000℃～1100℃之间，退火时间控制在2～5min；
4)冷轧
轧制压下量控制在5％～40％，优选8％～15％的轻压下；获得最终产品厚度规格大于等于1.8mm的钢板；
5)焊管制造
焊管采用高频焊接或激光焊接，最终获得高强度不锈钢焊管，其屈服强度400～1300MPa，抗拉强度700～1800MPa，断后伸长率12～40％。
6.如权利要求1或2所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按权利要求1或2所述成分采用电弧炉和AOD两步法冶炼不锈钢，并铸造成板坯；
2)热轧
采用常规热轧，板坯加热温度控制在1130℃～1250℃之间；
3)热退酸洗
退火温度控制在1000℃～1100℃之间，退火时间控制在2～5min；
4)冷轧
轧制压下量控制在5％～40％，优选8％～12％的轻压下；
5)冷退酸洗
退火温度控制在1000℃～1150℃之间，退火时间控制在2～5min；
获得最终产品厚度规格0.5mm～1.5mm的钢板；
6)焊管制造
焊管采用高频焊接或采用激光焊接，最终获得高强度不锈钢焊管，其屈服强度400～1300MPa，抗拉强度700～1800MPa，断后伸长率12～40％。
7.如权利要求5或6所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，冶炼过程中采用Si脱氧，控制还原Si的量在0.4％～1％之间。
8.如权利要求5或6所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，所述焊管采用高频焊接，设定频率为200～350KHz，设定功率为20～80Kw，焊接速度为15～60m/min；或采用激光焊接，焊接功率为4～12Kw，焊接速度为2～8m/min。
9.如权利要求5或6所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，所述焊管的厚度规格范围为0.5～6.0mm，管体周长范围为100～500mm；或为方管或者矩管，长宽比不超过5。
10.如权利要求5或6所述的低成本的高强度不锈钢焊管的制造方法，其特征是，所述焊管焊接前排辊成型段的前段经过加热后确保板材材温不低于100℃，不超过500℃。
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