CN109082579B - 一种耐冲击耐磨复合钢板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属焊接材料技术领域,具体涉及一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层为普通钢板,耐磨层为高强度合金复合层;耐磨层包含的组分及其重量百分比为:铬:25.00%‑55.00%;碳:3.00%‑8.00%;锰:0.50%‑4.00%;硅:0.10%‑3.00%;镍:0.25%‑3.00%;钼:0.25%‑3.00%;钒:0.10%‑1.50%;余量为铁和不可避免杂质;克服了传统耐磨层添加贵金属成本高,C含量低导致耐磨强度低的缺陷;通过添加少量成本较低的钒,改善了耐磨层的耐磨性能;本发明组分及配比范围内,将C含量提高,但耐磨层仍具有较好的韧性,使复合钢板兼具较好的耐磨强度与韧性。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接材料技术领域,具体涉及一种耐冲击耐磨复合钢板。
背景技术
传统的双金属复合耐磨钢板由低碳钢板和合金耐磨层两部分组成,抗磨层一般占总厚度的1/3-1/2。工作时由基体提供抵抗外力的强度、韧性和塑性等综合性能,由耐磨层提供满足指定工况需求的耐磨性能。耐磨钢板具有很高耐磨性能和较好冲击性能,能够进行切割、弯曲、焊接等,可采取焊接、塞焊、螺栓连接等方式与其他结构进行连接,在维修现场过程中具有省时、方便等特点,广泛应用于冶金、煤炭、水泥、电力、玻璃、矿山、建材、砖瓦等行业,与其他材料相比,有很高的性价比,已经受到越来越多行业和厂家的青睐。
其中,耐磨钢板的耐磨层和基体之间是冶金结合。通过专用设备,采用自动焊接工艺,将耐磨层与基体之间焊接在一起,以提高耐磨钢板的耐磨强度、抵抗外力强度等性能。耐冲击耐磨复合钢板主要以铬合金为主,同时还添加锰、钼、镍等其它合金成分,金相组织中碳化物呈纤维状分布,纤维方向与表面垂直。合金碳化物在高温下有很强的稳定性,保持较高的硬度,同时还具有很好的抗氧化性能,在500℃以内完全正常使用。但是由于耐磨层与基体之间直接通过热处理方式结合在一起,虽然可以提高基体的硬度、韧性及耐磨性能等,但是受热处理工艺限制,耐磨层熔敷在基体表面的厚度偏薄,影响复合钢板的使用寿命。
此外,为了进一步改善复合钢板的性能,提高复合钢板的硬度、韧性及耐磨性能,出现了在原有耐磨层材料的基础上,添加钌、铑等贵金属材料,大大提高了生产及使用成本。耐磨堆焊层中随着C含量的不断提高,组织的过共晶越来越明显,碳化物的数量增多,使得宏观硬度都很高;但是,由于伴随着C含量的升高,韧性也会大大降低,因此传统堆焊层中C含量多数被控制的比较低,而C含量降低又会导致耐磨性能降低,影响堆焊合金的强度。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种耐冲击耐磨复合钢板,克服了传统耐磨层添加贵金属成本高,C含量低导致耐磨强度低的缺陷;通过添加少量成本较低的钒,净化变质、细化晶粒,更有利于耐冲击耐磨复合钢板合金化,改善了耐磨层的耐磨性能;在本发明组分及配比范围内,将C含量提高,但耐磨层仍具有较好的韧性,打破了传统耐磨层中C的耐磨强度与韧性之间不兼容的缺陷,使复合钢板兼具较好的耐磨强度与韧性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层为普通钢板,耐磨层为高强度合金复合层;耐磨层包含的组分及其重量百分比为:铬:25.00%-55.00%;碳:3.00%-8.00%;锰:0.50%-4.00%;硅:0.10%-3.00%;镍:0.25%-3.00%;钼:0.25%-3.00%;钒:0.10%-1.50%;余量为铁和不可避免杂质。
通过采用上述技术方案,在原有碳、铬、锰、钼、镍的基础上,添加少量硅,提高了耐磨层的耐磨强度。引入适量且成本较低的钒,净化变质、细化晶粒,更有利于耐冲击耐磨复合钢板合金化,提高耐磨性能。在本发明的组分及配比范围内,将C含量提高到6%,耐磨层却仍然具有很好的韧性,使耐磨层具有高耐冲击性能的同时,提高了耐磨性能,打破了传统耐磨层中,C的耐磨强度与耐冲击性(韧性)之间的不兼容性,在保证耐磨层的耐冲击性的同时,提高了耐磨层的耐磨性能。
作为优选,耐磨层包含的组分及其重量百分比为:铬:25.00%-40.00%;碳:3.00%-6.00%;锰:0.50%-3.50%;硅:0.10%-3.00%;镍:0.25%-2.50%;钼:0.25%-2.50%;钒:0.10%-1.00%;余量为铁和不可避免杂质。
通过采用上述技术方案,进一步优化了耐磨层的各组分配比,提高耐磨层的耐磨强度及耐冲击性。
作为优选,基板层包含的组分及其重量百分比为:碳:0.12%-0.20%;锰:0.50%-1.50%;硅:0.20%-0.45%;余量为铁和不可避免杂质。
作为优选,基板层包含的组分及其重量百分比为:碳:0.15%-0.20%;锰:0.80%-1.20%;硅:0.25%-0.35%;余量为铁和不可避免杂质。
通过采用上述技术方案,基层钢板主要起保证基体强度和塑韧性作用,固不添加铬、硼等强淬透性元素。锰能增加钢的强度和韧性,是强烈稳定奥氏体的元素,可有效地降低奥氏体的分解速度,提高钢的淬透性,锰含量高会增强回火脆性,固该基板层锰含量范围为0.50% -1.50%。硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂,硅和锰结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,超过0.50%时,会造成钢的韧性下降,降低钢的抗冲击性能,因此该基板层硅含量限定在0.20%-0.45 %。
作为优选,该耐冲击耐磨复合钢板还包括堆焊层,堆焊层由耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层位于基板层与耐磨层之间。
通过采用上述技术方案,堆焊层由耐磨焊丝堆焊而成,耐磨焊丝堆焊在基板层与耐磨层之间,一方面,增加了基板层上方起耐磨作用的复合层厚度,从而增加复合钢板的耐磨强度;另一方面,基板层、堆焊层与耐磨层之间形成“夹心面包”结构,堆焊层起到热熔粘接基板层与耐磨层的桥梁作用,三者通过热处理熔融结合为一体,增大复合层厚度的同时,保证了复合层的结构强度。
作为优选,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:15.00%-35.00%;碳:3.00%-6.00%;锰:0.50%-3.00%;钛:0.20%-2.00%;硼:0.50%-1.50%;钒:0.50%-1.50%;镍:0.15%-0.55%;铌:0.10%-0.50%;余量为铁和不可避免杂质。
通过采用上述技术方案,在原有碳、铬、锰、钼、镍的基础上,添加少量硅,进一步提高堆焊层的耐磨强度。引入适量且成本较低的钒,净化变质、细化晶粒,更有利于耐磨焊丝合金化,提高耐磨性能。加入硼,可以减小焊丝膨胀,提高强度硬度。铌对不同的金属组织起到钉扎作用,保证堆焊后复合钢板不会出现裂纹。钛具有可塑性,高纯钛的延伸率可达50-60%,断面收缩率可达70-80%,但收缩强度低(即收缩时产生的力度);钛中杂质的存在,对其机械性能影响极大,特别是间隙杂质(氧、氮、碳)可大大提高钛的强度,降低其塑性;本发明通过严格控制堆焊层中适当的碳含量,并添加钒、铌、镍、锰、铬等合金元素,使钛的塑性与强度达到兼容的最佳点。在本发明的组分及配比范围内,将C含量提高到6%,焊丝仍然具有很好的韧性,保证了高韧性的同时,大大提高了耐磨性能,打破了传统焊丝中,C的耐磨强度与韧性之间的不兼容性,保留堆焊层耐冲击性的同时,提高了耐磨性能。
作为优选,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:20.00%-35.00%;碳:4.00%-5.00%;锰:0.50%-1.50%;钛:0.50%-1.50%;硼:0.50%-1.00%;钒:0.50%-1.00%;镍:0.20%-0.50%;铌:0.10%-0.40%;余量为铁和不可避免杂质。
通过采用上述技术方案,进一步优化了堆焊层的各组分配比,提高堆焊层的耐磨强度及耐冲击性。
作为优选,其包括如下规格型号:(4.5+4.5)mm,(5+3)mm,(6+4)mm,(6+6)mm,(8+3)mm,(8+5)mm,(8+8)mm,(10+6)mm,(10+10)mm,(10+12)mm和(8+12)mm。
作为优选,其包括如下规格型号:(4.5+4.5+5)mm,(5+3+4)mm,(6+4+4)mm,(6+6+3)mm,(8+3+4)mm,(8+5+5)mm,(8+8+6)mm,(10+6+8)mm,(10+10+10)mm,(10+12+5)mm和(12+5+10)mm。
通过采用上述技术方案,双层和三层的复合钢板均包括多种不同规格型号,可以根据不同使用情况,选择不同规格尺寸的复合钢板,应用范围广,适用性强。
综上所述,本发明具有如下有益效果:
(1)通过添加少量成本较低的钒,净化变质、细化晶粒,更有利于耐冲击耐磨复合钢板合金化,改善了耐磨层的耐磨性能;
(2)在本发明组分及配比范围内,将C含量提高,但耐磨层仍具有较好的耐冲击性,打破了传统耐磨层中C的耐磨强度与耐冲击性之间不兼容的缺陷,使复合钢板兼具较好的耐磨强度与耐冲击性;
(3)在基板层与耐磨层之间熔入堆焊层,堆焊层由耐磨焊丝堆焊而成,一方面,增加了基板层上方起耐磨作用的复合层厚度,从而增加复合钢板的耐磨强度;另一方面,基板层、堆焊层与耐磨层之间形成“夹心面包”结构,堆焊层起到热熔粘接基板层与耐磨层的桥梁作用,三者通过热处理熔融结合为一体,增大复合层厚度的同时,使基板层外部包有双层耐磨保护层,提高了复合钢板的结构强度。
具体实施方式
本发明的耐冲击耐磨复合钢板中的各组分,铬、硅、锰、镍、铌及钛分别以铬铁、硅铁、锰铁、镍铁、铌铁及高碳钛铁的形式加入,钒、钼、硼分别以碳化钒、碳化钼、碳化硼的形式加入,余量碳用石墨补足,余量铁用铁粉补足。为方便叙述,以下各实施例中均以各组分含量叙述。
实施例1
一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层中包含的组分及其重量百分比为:碳:0.20%;锰:1.50%;硅:0.45%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。耐磨层为高强度合金复合层,包括的组分及其重量百分比为:铬:55.00%;碳:8.00%;锰:0.50%;硅:3.00%;钒:1.50%;镍:0.25%;钼:0.25%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例2
一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层中包含的组分及其重量百分比为:碳:0.12%;锰:0.50%;硅:0.20%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。耐磨层包括的组分及其重量百分比为:铬:25.00%;碳:3.00%;锰:4.00%;硅:0.10%;钒:0.10%;镍:3.00%;钼:3.00%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例3
一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层中包含的组分及其重量百分比为:碳:0.15%;锰:0.80%;硅:0.25%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。耐磨层包括的组分及其重量百分比为:铬:40.00%;碳:6.00%;锰:3.50%;硅:3.00%;钒:0.10%;镍:2.50%;钼:2.50%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例4
一种耐冲击耐磨复合钢板,包括基板层和耐磨层,基板层中包含的组分及其重量百分比为:碳:0.18%;锰:1.00%;硅:0.35%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。耐磨层包括的组分及其重量百分比为:铬:25.00%;碳:3.00%;锰:0.50%;硅:0.10%;钒:1.00%;镍:0.25%;钼:0.25%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例1-4的耐冲击耐磨复合钢板包括(4.5+4.5)mm,(5+3)mm,(6+4)mm,(6+6)mm,(8+3)mm,(8+5)mm,(8+8)mm,(10+6)mm,(10+10)mm,(10+12)mm和(8+12)mm的规格型号。
实施例5
实施例5的耐冲击耐磨复合钢板,在实施例1的基板层与耐磨层之间熔焊有堆焊层,堆焊层为耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:35.00%;碳:6.00%;锰:3.00%;钛:2.00%;硼:1.50%;钒:1.50%;镍:0.55%;铌:0.50%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例6
实施例6的耐冲击耐磨复合钢板,在实施例2的基板层与耐磨层之间熔焊有堆焊层,堆焊层为耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:15.00%;碳:3.00%;锰:0.50%;钛:0.20%;硼:0.50%;钒:0.50%;镍:0.15%;铌:0.10%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例7
实施例7的耐冲击耐磨复合钢板,在实施例3的基板层与耐磨层之间熔焊有堆焊层,堆焊层为耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:35.00%;碳:5.00%;锰:1.50%;钛:0.50%;硼:1.00%;钒:1.00%;镍:0.20%;铌:0.40%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例8
实施例8的耐冲击耐磨复合钢板,在实施例4的基板层与耐磨层之间熔焊有堆焊层,堆焊层为耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:20.00%;碳:4.00%;锰:0.50%;钛:1.50%;硼:0.50%;钒:0.50%;镍:0.50%;铌:0.10%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
实施例5-8的耐冲击耐磨复合钢板包括(4.5+4.5+5)mm,(5+3+4)mm,(6+4+4)mm,(6+6+3)mm,(8+3+4)mm,(8+5+5)mm,(8+8+6)mm,(10+6+8)mm,(10+10+10)mm,(10+12+5)mm和(12+5+10)mm的规格型号。
对比例1
对比例1与实施例3的区别在于:对比例1的耐磨层组分中没有钒,其余与实施例3一致。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于:对比例2的耐磨层组分中没有硅,其余与实施例3一致。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于:对比例3的耐磨层组分及重量份配比具体为:铬:46.00%;碳:6.00%;锰:3.70%;硅:3.30%;钒:1.50%;镍:2.60%;钼:2.60%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。其余与实施例3一致。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于,对比例4的耐磨层组分及重量份配比具体为:铬:23.00%;碳:6.00%;锰:0.45%;硅:0.07%;钒:0.08%;镍:0.20%;钼:0.23%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。其余与实施例3一致。
对比例5
对比例5与实施例3的区别在于,对比例5的耐磨层组分及重量份配比具体为:铬:46.00%;碳:6.00%;锰:0.40%;硅:3.50%;钒:0.05%;镍:0.20%;钼:2.55%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。其余与实施例3一致。
对比例6
对比例6与实施例7的区别在于:对比例6的堆焊层组分中没有钒,其余与实施例7一致。
对比例7
对比例7与实施例7的区别在于:对比例7的堆焊组分中没有硼,其余与实施例7一致。
对比例8
对比例8与实施例7的区别在于:对比例8的堆焊组分中没有铌,其余与实施例7一致。
对比例9
对比例9与实施例7的区别在于,对比例9的堆焊层组分及重量份配比具体为:铬:35.50%;碳:5.00%;锰:3.30%;钛:2.50%;硼:2.00%;钒:2.00%;镍:0.65%;铌:0.60%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
对比例10
对比例10与实施例7的区别在于,对比例9的堆焊层组分及重量份配比具体为:铬:14.00%;碳:5.00%;锰:0.40%;钛:0.15%;硼:0.30%;钒:0.30%;镍:0.10%;铌:0.05%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
对比例11
对比例11与实施例7的区别在于,对比例11的堆焊层组分及重量份配比具体为:铬:36.00%;碳:5.00%;锰:0.40%;钛:2.15%;硼:0.40%;钒:2.20%;镍:0.10%;铌:0.04%;S<0.04%;P<0.03%;余量为铁。
按照ASTM G65 -04(2010)检测标准,对堆焊层以及耐磨层的熔敷金属均进行耐磨性能检测及硬度检测。其中,采用橡胶轮式磨损试验机进行耐磨性能检测,采用洛氏硬度计对每个实施例或对比例的熔敷金属取6个点打硬度,最终取平均值作为该实施例或对比例的硬度值。表1列出了用MTT ASTMG065.10机系列#2014-01试验机的耐磨性能检测的机械参数。实施例1-4的耐磨检测结果见表2,实施例5-8的耐磨检测结果见表3,对比例1-5的耐磨检测结果见表4,对比例6-11的耐磨检测结果见表5,实施例1-8的硬度及抗冲击性能的检测结果见表6,对比例1-11的硬度及抗冲击性能的检测结果见表7。
表1 耐磨性能检测参数
表2 实施例1-4的耐磨检测结果
表3 实施例5-8的耐磨检测结果
表4 对比例1-5的耐磨检测结果
注意,对比例1-5中基板层的测试结果同实施例3的基板层,因此表4中将其省略,列出的是耐磨层的测试结果。
表5 对比例6-11的耐磨检测结果
注意,对比例6-11中基板层及耐磨层的测试结果同实施例7,因此表5中将其省略,列出的为堆焊层的测试结果。
由表2和表3可知,本发明的耐冲击耐磨复合钢板,其基板层、堆焊层、耐磨层的耐磨性强,经过磨损试验后,重量损失量最低只有9.857g,最高也不超过23.2g,耐磨强度高。
由表4可知,在本发明耐磨层的组分及配比要求下,没有钒(对比例1)的加入,重量损失量高达1.007g,体积损失高达130.272mm3,损失超过10倍,耐磨性能大大降低。没有硅(对比例2)的加入,重量损失量高达1.012g,体积损失高达131.258mm3,损失超过10倍,耐磨性能大大降低。没有铌(对比例3)的加入,重量与体积损失增高5倍左右,耐磨性能降低严重。对比例3-5,不在本发明耐磨层的配比范围内,但是组分种类与本发明相同,碳含量与实施例3中相同,但是耐磨强度却达不到本发明的高强耐磨度。
由表5可知,在本发明堆焊层的组分及配比要求下,没有钒(对比例6)的加入,没有硼及铌的加入,重量与体积损失均增高15倍左右,耐磨性能大大降低。对比例9-11,不在本发明配比范围内,但是组分种类与本发明相同,碳含量与实施例7中相同,但是重量与体积损失增高15倍左右,耐磨强度降低严重。
综合表4和表5证明,本发明的耐冲击耐磨复合钢板,各组分之间相互协同作用,并不是简单的混合作用,超过或低于本发明含量范围内耐冲击耐磨复合钢板,耐磨强度均大大降低。从对比例3-5,对比例9-11可知,若不在本发明的组分种类及配比范围内,则想提高碳含量来提高耐磨强度是实现不了的。缺失钒、硼、硅、铌后,耐磨强度均严重降低,并且本发明的效果远远好于缺失四者的加和,充分证明了本发明各组分及配比的关联性和协同性。
表6 实施例1-8的硬度及抗冲击性能的检测结果
表7 对比例1-11的硬度及抗冲击性能的检测结果
其中,表6和表7中进行抗冲击试验的试验板的试样尺寸为5×10×55mm。
由表6可知,本发明的耐冲击耐磨复合钢板硬度高,抗冲击性能好。由表7可知,对比例1-11中的硬度及抗冲击性能都相对本发明有较大的降低。并且,对比例1-2与实施例3对比,证明钒及硅对本发明的耐冲击耐磨复合钢板的硬度及耐冲击性能具有贡献。对比例6-8与实施例7对比,证明钒、硼及铌对本发明的耐冲击耐磨复合钢板硬度及耐冲击性能贡献很大。对比例4-5进而对比例9-11的硬度及耐冲击性能均降低,证明不在本发明的组分种类及配比范围内,提高碳含量,不仅达不到较好的耐磨强度,而且会造成韧性及硬度的降低。本发明克服了C的耐磨强度与韧性之间的不兼容性,提高了复合钢板的韧性的同时,使C资源发挥了其自身硬度及强度。
上述具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于:其包括基板层和耐磨层,基板层为普通钢板,耐磨层为高强度合金复合层;耐磨层包含的组分及其重量百分比为:铬:25.00%-55.00%;碳:6.00%-8.00%;锰:0.50%-4.00%;硅:0.10%-3.00%;镍:0.25%-3.00%;钼:0.25%-3.00%;钒:0.10%-1.50%;余量为铁和不可避免杂质;该耐冲击耐磨复合钢板还包括堆焊层,堆焊层由耐磨焊丝堆焊而成,堆焊层位于基板层与耐磨层之间;堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:15.00%-35.00%;碳:3.00%-6.00%;锰:0.50%-3.00%;钛:0.20%-2.00%;硼:0.50%-1.50%;钒:0.50%-1.50%;镍:0.15%-0.55%;铌:0.10%-0.50%;余量为铁和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于,耐磨层包含的组分及其重量百分比为:铬:25.00%-40.00%;碳:6.00%;锰:0.50%-3.50%;硅:0.10%-3.00%;镍:0.25%-2.50%;钼:0.25%-2.50%;钒:0.10%-1.00%;余量为铁和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于,基板层包含的组分及其重量百分比为:碳:0.12%-0.20%;锰:0.50%-1.50%;硅:0.20%-0.45%;余量为铁和不可避免杂质。
4.根据权利要求1所述的耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于,基板层包含的组分及其重量百分比为:碳:0.15%-0.20%;锰:0.80%-1.20%;硅:0.25%-0.35%;余量为铁和不可避免杂质。
5.根据权利要求1所述的耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于,堆焊层包含的组分及其重量百分比为:铬:20.00%-35.00%;碳:4.00%-5.00%;锰:0.50%-1.50%;钛:0.50%-1.50%;硼:0.50%-1.00%;钒:0.50%-1.00%;镍:0.20%-0.50%;铌:0.10%-0.40%;余量为铁和不可避免杂质。
6.根据权利要求1所述的耐冲击耐磨复合钢板,其特征在于,其包括如下规格型号:(4.5+4.5+5)mm,(5+3+4)mm,(6+4+4)mm,(6+6+3)mm,(8+3+4)mm,(8+5+5)mm,(8+8+6)mm,(10+6+8)mm,(10+10+10)mm,(10+12+5)mm和(12+5+10)mm。
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