CN109022845B - 一种汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法，将经过碱洗和酸洗的铝合金废料放入电阻炉中加热炉料全部熔化，加入Al2O3颗粒，搅拌，将炉温调至720℃，然后加入稀土元素La，搅拌，扒渣；加入覆盖剂，静置，二次扒渣，控制炉温为710‑750℃且炉温稳定后，浇铸，自然冷却，得到含有Al2O3的高铝锌基合金。本发明在铝合金废料中添加Al2O3颗粒，能够细化合金晶粒，使合金中的Ti、稀土元素La、B元素分布均匀，提高了合金机械性能的稳定性，具有良好的抗拉强度、硬度和抗压强度，以高铝锌基合金制得的汽车制动盘相对铸铁制动盘减重55‑65％，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力。

Description

一种汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法
技术领域
本发明涉及合金冶炼技术领域，更具体的涉及一种汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法。
背景技术
铝锌合金拥有良好的力学性能和耐磨及减摩性能、熔点较低、耗能较少、成本相对低廉、同时成形方便，可替代铜合金甚至是铝合金制备的轴瓦、轴承、轴套等耐磨构件，因此人们高度关注。铝锌合金复合材料所面临的主要问题是在高速重载荷情况下性能失稳及高温性能差及尺寸不稳定性。基于这些问题使得铝锌合金复合材料的相关研究日趋于广泛，而这其中颗粒增强铝锌合金复合材料工艺制备简单，容易直接铸造成形，近年来各国一直广泛关注。通过颗粒增强可以使铝合金合金材料具有较低的密度、提高强度、硬度、耐磨性等力学性能，同时这类增强方式具有制备工艺、操作简单，材料具有各向同性，性价比高等优点。
制动盘即刹车盘，是一个金属圆盘，是用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。车辆行驶过程中踩制动时制动卡钳夹住制动盘起到减速或者停车的作用。一般制动盘上有圆孔，其作用是减轻重量和增加摩擦力。制动盘种类繁多，特点是壁薄，盘片及中心处由砂芯形成。不同种类制动盘，在盘径、盘片厚度及两片间隙尺寸上存在差异，盘毂的厚度和高度也各不相同。
制动盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用，性能优良的制动盘是汽车安全行驶的前提条件之一。虽然经过多年的应用与发展，但是从早期的石棉制动盘到目前广泛使用的铸铁制动盘，在环保、质量等方面都存在一些缺陷，并不能完全满足市场需求。汽车产业的迅猛发展，汽车产量的大幅度增加，降低能源消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求，迫使人们不停地开展对汽车制动制动盘的研究。
铝合金制动制动盘具有如下优点：1、重量轻，可比钢制车制动盘重量减轻30％-40％，铝合金汽车制动盘有明显的减重效果；2、减震性能好，吸收冲击能量强，从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；3、导热性好，可以降低轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命；4、外形美观，采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金及制备方法，所述高铝锌基合金以铝合金废料制备而成，所述高铝锌基合金的制备方法如下：
(1)采用浓度为40-70g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为5-10％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，加入粒径为-120～200目的Al2O3颗粒并搅拌20-40min，将炉温调至720℃，然后加入稀土元素La并搅拌5-15min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入覆盖剂，静置30-50mim，二次扒渣，控制炉温为710-750℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热好的模具中，浇铸，自然冷却，得到含有Al2O3的高铝锌基合金。
优选地，所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：25.0-30.0％，Cu：2.0-2.5％，Mg：0.01-0.04％，B：0.02-0.04％，Ti：0.01-0.03％，余量为Zn。
优选地，所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：28.0％，Cu：2.3％，Mg：0.02％，B：0.03％，Ti：0.02％，余量为Zn。
优选地，所述步骤(2)中Al2O3颗粒的加入量为铝合金废料总量的0.01-5.0％。
优选地，所述步骤(2)中稀土元素La和铝合金废料的质量比为1:90-110。
优选地，所述步骤(2)中覆盖剂和铝合金废料的质量比为1:495-505。
优选地，所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：30-45％，NaCl：30-45％，冰晶石：15-25％。
优选地，所述步骤(2)中电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温1.5-2.5min，控制升温速度为4.5-5.0℃/min，且每升温95-105℃使炉温稳定后再继续升温。
优选地，所述步骤(2)中电阻炉的炉温超过600℃时，每升温5℃后保温0.5-1.5min，控制升温速度为4.5-5.0℃/min，且每升温45-55℃使炉温稳定后再继续升温。
优选地，所述步骤(3)中将铝液倒入预热好的模具前，在模具内涂刷脱模剂，所述脱模剂为铝合金脱模剂。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明以铝合金工艺废料为原料，提高资源的利用价值，节约废合金金属的处理成本，有良好的经济效益和社会效益。
2、在熔炼铝合金废料时，电阻炉采用分段升温，这样做可以保证炉料与炉子的温度稳定性，起到保护炉子的作用，同时也可以保证当设定温度为750℃时炉温不会过高导致组织过烧。
3、在熔炼前对铝合金废料原料进行碱洗和酸洗，可以去除原料中的部分杂质，可以降低熔炼能耗，提高铝液纯净度，避免因杂质过多影响铸态组织性能，容易形成夹渣、气孔等缺陷。
4、在铝合金废料中添加Al2O3颗粒，能够使合金在凝固时作为晶核增加形核数量，达到细化晶粒效果，使合金中的Ti、稀土元素La、B元素分布均匀，提高了合金机械性能的稳定性，具有良好的抗拉强度，并且可以提高合金的硬度和抗压强度。
5、经测试，本发明的高铝锌基合金制得的汽车制动盘相对铸铁制动盘减重55-65％，热导率提高2.5倍以上，高温耐磨性能良好。该种制动盘装车实验行驶25000公里后磨损量只有0.25-0.30mm，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力。
附图说明
图1为本发明的制备方法，含有不同含量Al2O3的合金的金相组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
实施例1
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取5kg铝合金废料，采用浓度为40g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为5％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温1.5min，控制升温速度为4.5℃/min，且每升温95℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温0.5min，控制升温速度为4.5℃/min，且每升温45℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入0.5g粒径为-120目的Al2O3颗粒并搅拌40min，将炉温调至720℃，然后加入50g稀土元素La并搅拌15min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入10g覆盖剂，静置30mim，二次扒渣，控制炉温为710℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至300℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：25.0％，Cu：2.0％，Mg：0.01％，B：0.02％，Ti：0.01％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：30％，NaCl：45％，冰晶石：25％。
实施例2
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取27kg铝合金废料，采用浓度为45g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为6％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温1.7min，控制升温速度为4.6℃/min，且每升温97℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温0.7min，控制升温速度为4.6℃/min，且每升温47℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入270g粒径为-50目的Al2O3颗粒并搅拌36min，将炉温调至720℃，然后加入300g稀土元素La并搅拌13min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入55g覆盖剂，静置34mim，二次扒渣，控制炉温为718℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至350℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：26.0％，Cu：2.1％，Mg：0.02％，B：0.03％，Ti：0.02％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：45％，NaCl：39％，冰晶石：16％。
实施例3
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取49.5kg铝合金废料，采用浓度为50g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为7％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温1.9min，控制升温速度为4.8℃/min，且每升温99℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温0.9min，控制升温速度为4.7℃/min，且每升温48℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入990g粒径为50目的Al2O3颗粒并搅拌32min，将炉温调至720℃，然后加入450g稀土元素La并搅拌11min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入100g覆盖剂，静置38mim，二次扒渣，控制炉温为725℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至380℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：27.0％，Cu：2.2％，Mg：0.03％，B：0.04％，Ti：0.03％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：45％，NaCl：30％，冰晶石：25％。
实施例4
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取80kg铝合金废料，采用浓度为55g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为8％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温2.1min，控制升温速度为5.0℃/min，且每升温100℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温1.0min，控制升温速度为4.8℃/min，且每升温50℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入2.4kg粒径为100目的Al2O3颗粒并搅拌28min，将炉温调至720℃，然后加入842g稀土元素La并搅拌9min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入160g覆盖剂，静置42mim，二次扒渣，控制炉温为730℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至360℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：28.0％，Cu：2.3％，Mg：0.02％，B：0.03％，Ti：0.02％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：40％，NaCl：45％，冰晶石：15％。
实施例5
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取100kg铝合金废料，采用浓度为60g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为9％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温2.3min，控制升温速度为5.2℃/min，且每升温102℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温1.2min，控制升温速度为5.0℃/min，且每升温52℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入4kg粒径为150目的Al2O3颗粒并搅拌26min，将炉温调至720℃，然后加入952g稀土元素La并搅拌7min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入198g覆盖剂，静置45mim，二次扒渣，控制炉温为738℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至370℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：29.0％，Cu：2.5％，Mg：0.04％，B：0.04％，Ti：0.03％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：38％，NaCl：43％，冰晶石：19％。
实施例6
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取202kg铝合金废料，采用浓度为70g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为10％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温2.5min，控制升温速度为5.5℃/min，且每升温105℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温1.5min，控制升温速度为5.5℃/min，且每升温55℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入10.1kg粒径为200目的Al2O3颗粒并搅拌20min，将炉温调至720℃，然后加入2kg稀土元素La并搅拌5min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入400g覆盖剂，静置50mim，二次扒渣，控制炉温为750℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至390℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：27.3％，Cu：2.2％，Mg：0.01％，B：0.02％，Ti：0.03％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：41％，NaCl：43％，冰晶石：16％。
实施例7
本发明的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法包括如下步骤：
(1)取120kg铝合金废料，采用浓度为65g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为9.5％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温2.4min，控制升温速度为5.3℃/min，且每升温104℃使炉温稳定后再继续升温，电阻炉的炉温在600-680℃时，每升温5℃后保温1.4min，控制升温速度为5.2℃/min，且每升温54℃使炉温稳定后再继续升温；然后加入5.4kg粒径为180目的Al2O3颗粒并搅拌23min，将炉温调至720℃，然后加入1108g稀土元素La并搅拌6min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入235g覆盖剂，静置48mim，二次扒渣，控制炉温为745℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热至375℃的模具中，浇铸，自然冷却，浇铸前在模具内涂刷MK-TD1环保型铝合金脱模剂，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：30.0％，Cu：2.4％，Mg：0.02％，B：0.03％，Ti：0.02％，余量为Zn；
所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：36％，NaCl：42％，冰晶石：22％。
产品性能分析
为检测本发明的高铝锌基合金的性能，取实施例2-7的高铝锌基合金产品，以及参照本发明的制备方法，不添加Al2O3得到的铝合金进行冲击、拉伸及硬度测试，结果见表1。并对上述不含Al2O3的铝合金、实施例2-4以及实施例6的产品进行金相观察，结果见图1中的(a)-(e)。
Figure BDA0001766987390000091
表1
如表1所示，在进行高铝锌基合金精制时，加入Al2O3颗粒可以提高合金的抗拉强度，加入Al2O3颗粒的量在1％能够使抗拉强度的增强程度达到最好，之后随着加入量的增多强度呈下降趋势，这是因为加入的Al2O3颗粒的粒径逐渐增大，合金晶粒较粗。合金的抗压强度随着Al2O3含量的增加，有明显的提高，Al2O3颗粒的加入能够钉扎位错的作用使得材料抗压强度得到提高。随着Al2O3含量增加，合金的冲击韧性逐渐减小。随着Al2O3颗粒量的增大材料的硬度有所提高。
如图1(a)-图1(e)所示，可以看出随着Al2O3含量的增多，合金的晶粒有明显的细化，Al2O3颗粒的添加能够使合金在凝固时作为晶核增加形核数量，达到细化晶粒效果。各图中颜色明亮的相是稀土元素La与铝锌铜形成固溶相均匀分布于合金材料。
综上所述，Al2O3颗粒的加入使得铝锌合金材料硬度有所提高，且能够改善铝锌合金材料的组织，细化合金晶粒。Al2O3颗粒的加入量达到1％时能够使得铝锌合金的抗拉强度增强达到最好，随着加入量的增多而没有达到强化效果，此外，Al2O3颗粒的加入量的增加能够使铝锌合金材料抗压强度随之增高，但在强度升高的同时，亦会使得材料的冲击韧性有所降低。
此外，以本发明实施例6的高铝锌基合金制得的汽车制动盘相对铸铁制动盘减重55-65％，热导率提高2.5倍以上，高温耐磨性能良好。该种制动盘装车实验行驶25000公里后磨损量只有0.25-0.30mm，有望取代铸铁汽车制动盘，为汽车轻量化提供助力。

Claims (9)

1.一种汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述高铝锌基合金以铝合金废料制备而成，所述高铝锌基合金的制备方法如下：
(1)采用浓度为40-70g/L的NaOH溶液对铝合金废料进行碱洗，然后用水冲洗掉铝合金废料上残留的NaOH溶液，再用质量分数为5-10％的稀盐酸对铝合金废料进行酸洗，用水冲洗掉铝合金废料上残留的盐酸，烘干；
(2)将烘干后的铝合金废料放入电阻炉中加热，使炉温升至680℃，保温至炉料全部熔化，加入粒径为-120～200目的Al2O3颗粒并搅拌20-40min，将炉温调至720℃，然后加入稀土元素La并搅拌5-15min，扒渣；
(3)在步骤(2)扒渣后的铝液中加入覆盖剂，静置30-50mim，二次扒渣，控制炉温为710-750℃且炉温稳定后，将铝液倒入预热好的模具中，浇铸，自然冷却，得到含有Al2O3的高铝锌基合金；
所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：25.0-30.0％，Cu：2.0-2.5％，Mg：0.01-0.04％，B：0.02-0.04％，Ti：0.01-0.03％，余量为Zn。
2.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述铝合金废料由以下质量百分数的原料组成：Al：28.0％，Cu：2.3％，Mg：0.02％，B：0.03％，Ti：0.02％，余量为Zn。
3.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中Al2O3颗粒的加入量为铝合金废料总量的0.01-5.0％。
4.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中稀土元素La和铝合金废料的质量比为1:90-110。
5.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂和铝合金废料的质量比为1:495-505。
6.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述的覆盖剂由以下质量百分数的原料组成：KCl：30-45％，NaCl：30-45％，冰晶石：15-25％。
7.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中电阻炉的炉温在300-600℃之间时，每升温5℃后保温1.5-2.5min，控制升温速度为4.5-5.0℃/min，且每升温95-105℃使炉温稳定后再继续升温。
8.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中电阻炉的炉温超过600℃时，每升温5℃后保温0.5-1.5min，控制升温速度为4.5-5.0℃/min，且每升温45-55℃使炉温稳定后再继续升温。
9.根据权利要求1所述的汽车制动盘用的高铝锌基合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中将铝液倒入预热好的模具前，在模具内涂刷脱模剂，所述脱模剂为铝合金脱模剂。
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