CN110273154A - 一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法，属于金属表面工程技术领域。本发明提供的耐高温磨损合金涂层，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，W 5.2％～5.5％，余量为Fe。本发明在合金粉末中加入Cr、Ni、W、V、Al元素，上述各元素相互配合，使得合金粉末具有优秀的耐高温、高硬度特点，且耐磨损，使用寿命长，同时具有优异的抗开裂性能。

Description

一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫 板及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面工程技术领域，尤其涉及一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法。
背景技术
碾环机是用来制造环形工件的先进设备，广泛应用于石油化工、工程机械、轴承、航空航天和发电等领域高质量无缝环件的生产，如轧制轴承环、齿圈、法兰等。现在，环形轧制技术已经成为环形机械零件生产的主要工艺方法之一。
工作中，无缝环件初始是1000℃以上的红热锻件环坯，在碾环机锥形辊子的碾压下逐渐扩径、减薄，最终成形，而红热锻件环坯的挤压、磨损、烧蚀过程中，碾环机垫板是消耗较大的设备部件。目前，碾环机均采用耐热铸钢材质的垫板，实际使用中寿命较短，仅1～2个月，严重影响环件产品质量，需要经常更换，更换过程中占用设备机时较多，同时增加了运营成本。
如何提高碾环机垫板耐高温磨损、耐烧蚀性能，进而提高其使用寿命，成为影响碾环产品质量、关系碾环机生产运行连续性、可靠性和安全性的关键问题之一。提高碾环机垫板耐高温磨损性的有效方法是对其表面进行强化改性，但是传统的表面改性方法(如堆焊、等离子、喷焊等金属表面改性方法)对碾环机垫板进行改性后，其使用寿命延长至2～4个月，仍然不能达到预期使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法，本发明所提供的耐高温磨损合金涂层具有优异的耐高温磨损性，能够将碾环机垫板的使用寿命延长至6～8个月。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种耐高温磨损合金涂层，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，W 5.2％～5.5％，余量为Fe。
本发明还提供了上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
将合金粉末铺于待改性的器件表面，进行激光熔覆，得到耐高温磨损合金涂层；所述合金粉末的元素组成与上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的组成相同。
优选的，所述合金粉末的粒度为135～325目。
优选的，所述激光熔覆的半导体激光器功率为3800～4000W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为30～50％，扫描速度为500～600mm/min。
本发明还提供了一种强化碾环机垫板，包括碾环机垫板基体和强化涂层，所述强化涂层为上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层或上述技术方案所述的制备方法得到的耐高温磨损合金涂层，所述强化涂层位于所述碾环机垫板基体的工作面上，并与碾环机垫板基体冶金结合。
优选的，所述强化涂层的厚度为2.5～3.5mm。
本发明还提供了上述技术方案所述的强化碾环机垫板的制备方法，包括如下步骤：
提供碾环机垫板基体；
将所述碾环机垫板基体工作面上的沉头孔填充快粘粉浆料，得到预处理待强化面；
按照上述技术方案所述的制备方法，在所述预处理待强化面上制备强化涂层，得到强化碾环机垫板。
优选的，在所述预处理待强化面上制备强化涂层后，对沉头孔进行清理，去除快粘粉浆料。
优选的，将所述碾环机垫板基体进行清洗后再使用，所述清洗所用溶剂为酒精。
优选的，所述碾环机垫板基体通过如下方法得到：将碾环机垫板通过铣削加工，以减薄碾环机垫板的厚度，得到碾环机垫板基体，所述减薄的厚度与强化涂层的厚度相同。
本发明提供了一种耐高温磨损合金涂层，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，W 5.2％～5.5％，余量为Fe。本发明在合金粉末中加入Cr、Ni、W、V、Al元素，通过调配合金粉末的组分和配比，使得合金粉末具有优秀的耐高温、高硬度特点，且耐磨损，使用寿命长，同时具有优异的抗开裂性能，具体而言，通过添加Cr和Ni，有效的提高合金粉末的硬度和耐热性能，而W、V、Al的加入不仅能够有效提高母粉的硬度和耐热性能，还能够形成硬质相，同时V元素可以显著细化晶粒。实验结果表明，本发明所提供的耐高温磨损合金涂层的洛氏硬度为58～62，无裂纹产生，且耐热温度可达1300℃，具有优异的耐高温磨损性能，其使用寿命是传统的耐热铸钢碾环机垫板的3.2倍以上，与设备的中修期相当。
本发明还提供了上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，包括如下步骤：将合金粉末铺于待改性的器件表面，进行激光熔覆，得到耐高温磨损合金涂层；所述合金粉末的元素组成与上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的组成相同。本发明所提供的合金涂层的制备方法简单，且所得合金涂层与基体冶金结合，由于采用激光数控加工系统，可实现熔覆制备过程的自动化，保证了产品质量均一。
附图说明
图1实施例1所得强化碾环机垫板的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种耐高温磨损合金涂层，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，W 5.2％～5.5％，余量为Fe。
在本发明中，所述Cr、Ni、V、Al和W结合，能够有效提高合金涂层的硬度和耐热性，并且V、Al和W还可形成硬质相，从而实现强化弥散作用，提高涂层的显微硬度，同时V可显著细化晶粒，从而提高涂层的致密度，进而提高涂层的显微硬度。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括C0.25％～0.35％，优选为0.28％～0.32％。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括Cr16％～22％，优选为18％～20％。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括Ni4％～6％，更优选为5％。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括V3.0％～7.2％，优选为4％～7％，更优选为5％～6％。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括Al0.2％～0.6％，优选为0.3％～0.5％，更优选为0.35％～0.45％。
在本发明中，以质量百分比计，所述耐高温磨损合金涂层包括W5.2％～5.5％，优选为5.3％～5.4％。
在本发明中，所述耐高温磨损合金涂层优选通过激光熔覆法制备得到。在本发明中，所述激光熔覆法能够显著细化晶粒，得到超细化组织，有利于使耐高温磨损合金涂层与待强化基体之间形成冶金结合，使合金涂层不被基体稀释，从而进一步提高耐高温磨损合金涂层的耐高温磨损性，具体而言，在激光熔覆过程中，上述配比的组分在激光快速加热作用下发生冶金反应，同时由于加热仅为局部，在周围常温基体的自激冷作用下，形成了二元和三元化合物，包括FeNi2V相、Fe-Cr-Ni-Si相和Fe-Cr-W相，得到的二元或三元系相以Fe系与Ni系合金居多，这些新合金相具有金属性，同时也具有陶瓷物质的强度性能，与基体之间具有优异的润湿性，同时具有较强的耐磨性和耐热性。
本发明对所述耐高温磨损合金涂层的厚度没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要设置不同的厚度。
本发明还提供了上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，包括如下步骤：
将合金粉末铺于待改性的器件表面，进行激光熔覆，得到耐高温磨损合金涂层；所述合金粉末的元素组成与上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的组成相同。
本发明对所述待改性的器件的材质没有特殊限定。
本发明对合金粉末的配制原料没有特殊限定，本领域技术人员可根据情况，选择原料，能够得到所需元素配比即可。
本发明对所述合金粉末铺于待改性的器件表面的方式没有特殊限定，能够得到均匀的合金粉末层即可。在本发明实施例中，所述合金粉末的原料均为金属单质。
在本发明中，所述合金粉末的粒度优选为135～325目。在本发明中，上述粒度的合金粉末有利于提高合金粉末的流动性，从而提高熔池的流动性，以利于防止熔覆层中孔洞等缺陷的产生。
在本发明中，所述激光熔覆的半导体激光器功率优选为3800～4000W，更优选为3850～3950W；矩形光斑优选为2×14mm，搭接率优选为30～50％，更优选为35～45％；所述扫描速度优选为500～600mm/min，更优选为525～575mm/min。在本发明中，上述参数与合金粉末结合，有利于进一步提高所得涂层的耐磨性。
在本发明中，所述激光熔覆优选为多层激光熔覆，即在待改性的器件表面铺设一层合金粉末层后，进行激光熔覆，然后再铺设一层合金粉末层，再次进行激光熔覆，如此反复，直至得到所需厚度的耐高温磨损合金涂层；每层合金粉末层的厚度优选为1～2mm；所述多层激光熔覆优选为三层激光熔覆。在本发明中，所述多层激光熔覆有利于节约设备机时，提高效率。
本发明还提供了一种强化碾环机垫板，包括碾环机垫板基体和强化涂层，所述强化涂层为上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层或上述技术方案所述的制备方法得到的耐高温磨损合金涂层，所述强化涂层位于所述碾环机垫板基体的工作面上，并与碾环机垫板基体冶金结合。
在本发明中，所述强化涂层的厚度优选为2.5～3.5mm。在本发明中，上述厚度即可使碾环机垫板的寿命延长至6～8个月，与设备的中修期相当，满足碾环机垫板的期望使用要求，不占用设备机时。
本发明还提供了上述技术方案所述的强化碾环机垫板的制备方法，包括如下步骤：
提供碾环机垫板基体；
将所述碾环机垫板基体工作面上的沉头孔填充快粘粉浆料，得到预处理待强化面；
按照上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，在所述预处理待强化面上制备强化涂层，得到强化碾环机垫板。
本发明首先提供碾环机垫板基体。
本发明对所述碾环机垫板基体的制备方法没有特殊限定，可以对现有的碾环机垫板进行改造得到，也可以直接制备所需碾环机垫板基体。在本发明实施例中，所述碾环机垫板基体优选通过如下方法得到：将碾环机垫板通过铣削加工，以减薄碾环机垫板的厚度，得到碾环机垫板基体，所述减薄的厚度与强化涂层的厚度相同。上述方法可不改变碾环机垫板的原有制备工艺，直接对碾环机垫板进行改进。
得到碾环机垫板基体后，本发明优选将所述碾环机垫板基体进行清洗后再使用，所述清洗所用溶剂优选为酒精，更优选为工业酒精。在本发明中，所述清洗能够去除氧化皮、杂质、油污等，有利于合金涂层与基体的结合。
清洗完成后，本发明将清洗后的碾环机垫板基体工作面上的沉头孔填充快粘粉浆料，得到预处理待强化面。在本发明中，在沉头孔中填充快粘粉浆料，可保证激光熔覆时不破坏沉头孔。在本发明中，所述快粘粉浆料为快粘粉与水的混合物，本发明对所述快粘粉浆料的浓度没有特殊限定，采用常规的浓度即可；本发明对所述快粘粉的种类和来源没有特殊限定，任意快粘粉均可。在本发明实施例中，所述快粘粉优选为唐山市开平区东方装饰材料厂生产的高强快粘粉。
快粘粉浆料填充完成后，本发明优选将快粘粉浆料晾干，得到预处理待强化面。
得到预处理待强化面后，本发明按照上述技术方案所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，在所述预处理待强化面上制备强化涂层，得到强化碾环机垫板。
在本发明中，在所述预处理待强化面上制备强化涂层后，优选对沉头孔进行清理，去除快粘粉浆料。
下面结合实施例对本发明提供的一种耐高温磨损合金涂层及其制备方法、一种强化碾环机垫板及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C粉0.25％，Cr粉18％，Ni粉4％，V粉3.0％，Al粉0.4％，W粉5.2％，余量为Fe粉，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为3800W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为50％，扫描速度为500mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
实施例2
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C 0.35％，Cr22％，Ni6％，V7.2％，Al0.6％，W5.5％，余量为Fe，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为4000W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为50％，扫描速度为600mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
实施例3
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C 0.25％，Cr16％，Ni4％，V3.0％，Al0.2％，W5.2％，余量为Fe，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为3800W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为30％，扫描速度为500mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
实施例4
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C 0.33％，Cr19％，Ni5％，V5.2％，Al0.3％，W5.5％，余量为Fe，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为3900W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为50％，扫描速度为550mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
实施例5
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环
机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C 0.35％，Cr22％，Ni6％，V6.2％，Al0.5％，W5.2％，余量为Fe，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为4000W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为30％，扫描速度为600mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
实施例6
(1)按图纸加工碾环机垫板，所述碾环机垫板的材质为耐热铸钢；
(2)将所述碾环机垫板的工作面通过铣削加工，减薄3mm，得到碾环机垫板基体；
(3)采用工业酒精清洗铣削后的碾环机垫板基体的工作表面；
(4)将清洗后的碾环机垫板基体的工作表面上的各个沉头孔内涂满快粘粉浆料，晾干，得到预处理待强化面；
(5)在所述预处理待强化面表面铺设厚度为1.5mm的合金粉末，所述合金粉末由以下质量百分比的组分组成：C 0.30％，Cr18％，Ni4.5％，V4.5％，Al0.5％，W5.2％，余量为Fe，合金粉末的粒度为135-325目；
(6)将铺设了合金粉末的碾环机垫板装卡于大功率半导体激光加工机床上，进行激光熔覆，得到一层熔覆涂层，激光熔覆的参数为：半导体激光器功率为3800W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为50％，扫描速度为500mm/min；
(7)重复步骤(5)和(6)两次，在碾环机垫板基体的工作面上得到厚度为3mm的强化涂层；
(8)清理激光熔覆后碾环机垫板沉头孔内的快粘粉，得到强化碾环机垫板。
对比例1
按图纸加工耐热铸钢碾环机垫板。
对实施例1～6所得强化碾环机垫板的强化涂层进行表面着色探伤，均未发现有裂纹。如图1所示，为实施例1所得强化碾环机垫板，表面无裂纹。
采用标准号为GBT4342-1984的标准公开的方法测试实施例1～6所得强化碾环机垫板的强化涂层和对比例1所得耐热铸钢碾环机垫板的硬度，结果如表1所示。
测试实施例1～6所得强化碾环机垫板和对比例1所得耐热铸钢碾环机垫板的最高耐热温度(即使用时软化的温度)，结果如表1所示。
测试实施例1～6所得强化碾环机垫板和对比例1所得耐热铸钢碾环机垫板的使用寿命，以实际使用过程中，衬板不能满足工作需要为寿命终止的标准，结果如表1所示。
由表1可知本发明所提供的强化碾环机垫板的强化涂层的洛氏硬度为58～62，无裂纹产生，且耐热温度可达1300℃，具有优异的耐高温磨损性能，其使用寿命是传统的耐热铸钢碾环机垫板的3.2倍以上，与设备的中修期相当。
表1实施例1～6所得强化碾环机垫板和对比例1所得耐热铸钢碾环机垫板的性能测试结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高温磨损合金涂层，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％～0.35％，Cr 16％～22％，Ni 4％～6％，V 3.0％～7.2％，Al 0.2％～0.6％，W 5.2％～5.5％，余量为Fe。
2.权利要求1所述的耐高温磨损合金涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将合金粉末铺于待改性的器件表面，进行激光熔覆，得到耐高温磨损合金涂层；所述合金粉末的元素组成与权利要求1所述的耐高温磨损合金涂层的组成相同。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述合金粉末的粒度为135～325目。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔覆的半导体激光器功率为3800～4000W，矩形光斑为2×14mm，搭接率为30～50％，扫描速度为500～600mm/min。
5.一种强化碾环机垫板，其特征在于，包括碾环机垫板基体和强化涂层，所述强化涂层为权利要求1所述的耐高温磨损合金涂层或权利要求2～4任一项所述的制备方法得到的耐高温磨损合金涂层，所述强化涂层位于所述碾环机垫板基体的工作面上，并与碾环机垫板基体冶金结合。
6.根据权利要求5所述的强化碾环机垫板，其特征在于，所述强化涂层的厚度为2.5～3.5mm。
7.权利要求5或6所述的强化碾环机垫板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供碾环机垫板基体；
将所述碾环机垫板基体工作面上的沉头孔填充快粘粉浆料，得到预处理待强化面；
按照权利要求2～4任一项所述的制备方法，在所述预处理待强化面上制备强化涂层，得到强化碾环机垫板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述预处理待强化面上制备强化涂层后，对沉头孔进行清理，去除快粘粉浆料。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将所述碾环机垫板基体进行清洗后再使用，所述清洗所用溶剂为酒精。
10.根据权利要求7或9所述的制备方法，其特征在于，所述碾环机垫板基体通过如下方法得到：将碾环机垫板通过铣削加工，以减薄碾环机垫板的厚度，得到碾环机垫板基体，所述减薄的厚度与强化涂层的厚度相同。
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