CN112626379A - 一种高强度轻质铝硼合金板材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝硼合金生产加工技术领域，具体地，涉及一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素7.3~10.5%，硅元素3.6~5.1%，碳元素3.0~3.6%、铬元素2.2%~2.8%、铁元素0.1~0.5%，钛元素1.1~1.7%，铜元素0.02~0.1%，锰元素0.4~0.7%，铼元素0.02‑0.03%，锆元素0.05~0.2%，W：0.25~0.32%，余量为铝元素。所述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法包括烘料、熔炼、精炼、除气、细化调控、分析调控、热处理等步骤，优化了铝硼合金的合金成分和合金化工艺，调控了铝、硼、硅三种元素的配比，不仅能进一步提高强度，而且具有质量轻的特点。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体地，涉及一种高强度轻质铝硼合金板材料及其制备方法。
背景技术
铝合金，与其他材料相比，轻量化效果好，且具有良好的耐腐蚀性、回收利用性好，易于加工成形，表面喷涂和阳极氧化处理工艺成熟。其生产成本相对较低、工艺技术完善、不需要专业的生产设备和技术，使得铝合金成为目前轻量化综合性能最理想也是最受欢迎的材料。铝合金具有质轻的优点，不会明显增加自行车的重量，但是铝合金自身的强度和耐磨损等性能还具有很大的提升空间。
现有技术中，碳化硼虽然是核能发电场里理想的中子吸收剂，但碳化硼本身所具有的缺陷，如低断裂韧性、过高的烧结温度、搞氧化能力较差以及对金属稳定性较差等，限制了其应用。而铝材料具有较好的韧性、材质轻、易延展、耐腐蚀、可塑性强，用铝合金做载体，用碳化硼作中子吸收剂，制成的金属复合材料，在能保证中子吸收性能，又具有轻质、高强、高韧的特点，是理想的核电应用材料，然而，现有技术中的铝硼合金材料的制备方法仍然存在各种问题，如杂质多、内部清洁度差，且硼化物对后期的铝合金制品有明显的毒害作用，对铸件的改善仍有缺失，导致其强度不能达到预期的效果，因此，铝硼合金材料的制备仍然有很大的进步空间。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，工艺过程简单、可控性强、成本低，生产效率高、绿色环保，能生产出高强度、高韧性、质量轻的铝硼合金板材料。
本发明所采用的技术方案：本发明提供了一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素7.3～10.5％，硅元素3.6～5.1％，碳元素3.0～3.6％、铬元素2.2％～2.8％、铁元素0.1～0.5％，钛元素1.1～1.7％，铜元素0.02～0.1％，锰元素0.4～0.7％，铼元素0.02-0.03％，锆元素0.05～0.2％，W：0.25～0.32％，余量为铝元素。
还提供了一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至250～290℃，保温1.5～2.5小时；
(2)熔炼：熔炼炉的温度升至300～320℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至950～980℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；
(3)精炼：熔体升温至1000～1040℃，加入精炼剂进行精炼，10～20分钟；撇去浮渣，在1025～1045℃静置熔体30～50分钟；
(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌8～10分钟；
(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；
(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于1025℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；
进一步的，上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法还包括对步骤(6)得到铝硼合金板铸锭进行热处理的步骤(7)：将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至750～760℃，保温4～5h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板。
进一步的，上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法还包括对步骤(7)得到的淬火铝硼合金板进行人工时效处理的步骤(8)；人工时效处理后自然冷却即得到高强度轻质铝硼合金板材料。
进一步的，上述时效处理即在150～170℃保温3小时，至195℃，保温4小时。
进一步的，上述进行水冷的水温在85～95℃之间。
进一步的，上述进行水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4～7％，硝酸钠1～3％，其余为水。
进一步的，上述精炼剂包括以下重量百分比的组分：氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％。
进一步的，上述步骤(3)的精炼剂的制备方法包括如下步骤：(a)将上述氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％按照次序加入熔炼炉中，加热熔炼炉至熔炼温度为900℃；(b)待所有物料熔化三分之二时，使熔炼炉升温至1050-1150℃，在1050-1150℃下继续熔炼直至物料完全熔化；(c)充分搅拌熔化的物料15-25min，静置20-30min，将熔融状态的物料倒入模具进行充分冷却，凝固成块状熔炼剂；(d)将上述块状熔炼剂沉淀、洗涤、过滤、干燥、粉碎、真空脱水至粉末状；(e)将粉末状熔炼剂过筛后置入烘干炉中进行烘干，保温35min后冷却，即得精炼剂。
进一步的，上述覆盖剂包括以下重量百分比的组分：60wt％NaCl，14wt％KCl，26wt％Na3AlF6。
本发明的有益效果是：
(1)本发明精确设计和控制铝硼合金的成分，优化了铝硼合金的合金成分和合金化工艺，调控了铝、硼、硅三种元素的配比，添加了Si、Ti、W、Re，不仅使得铝硼合金板材料具有高强度，而且具有质量轻和良好的延伸率，综合性能得到了显著的提升，极具生产效益和实用价值；(2)本发明的铝硼合金板材料，抗拉强度≥980MPa，屈服≥760MPa；加工成型性能好、组织致密，满足高强度、高韧性、质量轻的压铸生产和热处理强化的需求。(3)本发明的制备方法成型性能好、工艺过程简单、可控性强、成本低，生产效率高、绿色环保。
具体实施方式
下面将通过几个具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例只是为了说明问题，并不是一种限制。
实施例1：
一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素10.5％，硅元素5.1％，碳元素3.2％、铬元素2.3％、铁元素0.5％，钛元素1.7％，铜元素0.02％，锰元素0.4％，铼元素0.03％，锆元素0.2％，W：0.32％，余量为铝元素。
上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至280℃，保温2.5小时；(2)熔炼：熔炼炉的温度升至320℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至960℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；(3)精炼：熔体升温至1020℃，加入精炼剂进行精炼，15分钟；撇去浮渣，在1025℃静置熔体40分钟；(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌10分钟；(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于765℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；(7)将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，进行水冷的水温在85～95℃之间，水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4～7％，硝酸钠1～3％，其余为水；然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至760℃，保温5h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板；(8)人工时效处理后自然冷却即得到高强度轻质铝硼合金板材料，时效处理即在160℃保温3小时，至195℃，保温4小时。
实施例2：
一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素7.6％，硅元素4.6％，碳元素3.6％、铬元素2.8％、铁元素0.2％，钛元素1.5％，铜元素0.1％，锰元素0.7％，铼元素0.025％，锆元素0.012％，W：0.25％，余量为铝元素。
上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至250℃，保温2.5小时；(2)熔炼：熔炼炉的温度升至300℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至950℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；(3)精炼：熔体升温至1000℃，加入精炼剂进行精炼，20分钟；撇去浮渣，在1025℃静置熔体50分钟；(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌8分钟；(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于765℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；(7)将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，进行水冷的水温在85～95℃之间，水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4～7％，硝酸钠1～3％，其余为水；然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至750℃，保温4h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板；(8)人工时效处理后自然冷却即得到高强度轻质铝硼合金板材料，时效处理即在150℃保温3小时，至195℃，保温4小时。
实施例3：
一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素9.65％，硅元素3.8％，碳元素3.0％、铬元素2.52％、铁元素0.34％，钛元素1.12％，铜元素0.07％，锰元素0.48％，铼元素0.021％，锆元素0.096％，W：0.29％，余量为铝元素。
上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至290℃，保温1.5小时；(2)熔炼：熔炼炉的温度升至310℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至980℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；(3)精炼：熔体升温至1040℃，加入精炼剂进行精炼，10分钟；撇去浮渣，在1045℃静置熔体30分钟；(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌9分钟；(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于765℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；(7)将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，进行水冷的水温在85～95℃之间，水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4～7％，硝酸钠1～3％，其余为水；然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至760℃，保温4h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板；(8)人工时效处理后自然冷却即得到高强度轻质铝硼合金板材料，时效处理即在170℃保温3小时，至195℃，保温4小时。
对比例1
一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素10.25％，硅元素4.96％，碳元素3.41％、铬元素2.31％、铁元素0.24％，钛元素1.52％，铜元素0.06％，锰元素0.68％，铼元素0.023％，锆元素0.16％，W：0.27％，余量为铝元素。
上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至260℃，保温2.5小时；(2)熔炼：熔炼炉的温度升至300℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至970℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；(3)精炼：熔体升温至1030℃，加入精炼剂进行精炼，18分钟；撇去浮渣，在1035℃静置熔体45分钟；(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌10分钟；(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于765℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；(7)将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，进行水冷的水温在85～95℃之间，水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4～7％，硝酸钠1～3％，其余为水；然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至760℃，保温5h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板。
对比例2
一种高强度轻质铝硼合金板材料，按照质量百分比数由以下组成：硼元素10.25％，硅元素4.96％，碳元素3.41％、铬元素2.31％、铁元素0.24％，钛元素1.52％，铜元素0.06％，锰元素0.68％，铼元素0.023％，锆元素0.16％，W：0.27％，余量为铝元素。
上述高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至270℃，保温2小时；(2)熔炼：熔炼炉的温度升至320℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至960℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；(3)精炼：熔体升温至1040℃，加入精炼剂进行精炼，15分钟；撇去浮渣，1045℃静置熔体40分钟；(4)除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌10分钟；(5)细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；(6)分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于765℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭；(7)将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，进行水冷的水温在85～95℃之间，水冷的水中没有淬火剂，然后进行热轧，冷却后以2～4℃/min的升温速度升至750℃，保温5h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板。
上述实施例1-3以及对比例1-2中，精炼剂包括以下重量百分比的组分：氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％。
上述实施例1-3以及对比例1-2中，精炼剂的制备方法包括如下步骤：(a)将上述氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％按照次序加入熔炼炉中，加热熔炼炉至熔炼温度为900℃；(b)待所有物料熔化三分之二时，使熔炼炉升温至1050-1150℃，在1050-1150℃下继续熔炼直至物料完全熔化；(c)充分搅拌熔化的物料15-25min，静置20-30min，将熔融状态的物料倒入模具进行充分冷却，凝固成块状熔炼剂；(d)将上述块状熔炼剂沉淀、洗涤、过滤、干燥、粉碎、真空脱水至粉末状；(e)将粉末状熔炼剂过筛后置入烘干炉中进行烘干，保温35min后冷却，即得精炼剂。
上述实施例1-3以及对比例1-2中，覆盖剂包括以下重量百分比的组分：60wt％NaCl，14wt％KCl，26wt％Na3AlF6。
按国家标准GMN/T16865-2013，将实施例1-3以及对比例1-2中的高强度轻质铝硼合金板材料，在DNS-200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。
表1实施例1～3以及对比例1-2得到的铝合金自行车配件力学性能分析结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 抗拉强度MPa | 983.3 | 981.1 | 982.8 | 931.2 | 941.3 |
| 屈服强度MPa | 762.1 | 763.5 | 766.7 | 710.5 | 722.6 |
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，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高强度轻质铝硼合金板材料，其特征在于：按照质量百分比数由以下组成：硼元素7.3~10.5%，硅元素3.6~5.1%，碳元素3.0~3.6%、铬元素2.2%~2.8%、铁元素0.1~0.5%，钛元素1.1~1.7%，铜元素0.02~0.1%，锰元素0.4~0.7%， 铼元素0.02-0.03%，锆元素0.05~0.2%，W：0.25~0.32%，余量为铝元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）烘料：将铝锭、工业纯锰、工业纯铬、工业纯钼、工业纯钨、工业纯铼、速溶硅、铝铜中间合金、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至250~290℃，保温1.5~2.5小时；
（2）熔炼：熔炼炉的温度升至300~320℃时，加入铝锭、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度至950~980℃之间时，加入工业纯镁、工业纯锰、工业纯铬熔化，搅拌至熔清；
（3）精炼：熔体升温至1000~1040℃，加入精炼剂进行精炼，10~20分钟；撇去浮渣，在1025~1045℃静置熔体30~50分钟；
（4）除气：向精炼工序制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌8~10分钟；
（5）细化调控：向除气工序制备所得的熔体中加入速溶硅、铝硼合金、铝钛硼中间合金、铝锆中间合金、工业纯钨、工业纯铼、碳粉，进行细化调控，撇去浮渣，获得铝硼合金熔体；
（6）分析调控：将撇渣后的熔体搅拌均匀，取样进行成分分析，取样时熔体温度不低于1025℃，分析调配含量合格后可进行浇注，浇铸得到铝硼合金板铸锭。
3.根据权利权利要求2所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：还包括对步骤（6）得到铝硼合金板铸锭进行热处理的步骤（7）：将得到的铝硼合金板铸锭进行水冷，然后进行热轧，冷却后以2~4℃/min的升温速度升至750~760℃，保温4~5h后，然后水冷至室温得到淬火铝硼合金板。
4.根据权利权利要求3所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：还包括对步骤（7）得到的淬火铝硼合金板进行人工时效处理的步骤；人工时效处理后自然冷却即得到高强度轻质铝硼合金板材料。
5.根据权利要求4所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：所述时效处理即在150~170℃保温3小时，至195℃，保温4小时。
6.根据权利要求3所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：所述进行水冷的水温在85~95℃之间。
7.根据权利要求6所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：所述进行水冷的水中有淬火剂，淬火剂是由以下质量百分含量的成分组成：氯化钾：4~7％，硝酸钠1~3％，其余为水。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：所述精炼剂包括以下重量百分比的组分：氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％。
9.根据权利要求8所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述精炼剂的制备方法包括如下步骤：（a）将上述氯化钾12wt％、氟化钛钾30wt％、硫化钙8wt％、氟化镁10wt％、氟硼酸钾30wt％、氟化铝钾10wt％、氯化钠25wt％按照次序加入熔炼炉中，加热熔炼炉至熔炼温度为900℃；（b）待所有物料熔化三分之二时，使熔炼炉升温至1050-1150℃，在1050-1150℃下继续熔炼直至物料完全熔化；（c）充分搅拌熔化的物料15-25min，静置20-30min，将熔融状态的物料倒入模具进行充分冷却，凝固成块状熔炼剂；（d）将上述块状熔炼剂沉淀、洗涤、过滤、干燥、粉碎、真空脱水至粉末状；（e）将粉末状熔炼剂过筛后置入烘干炉中进行烘干，保温35min后冷却，即得精炼剂。
10.根据权利要求2-7任意一项所述的一种高强度轻质铝硼合金板材料的制备方法，其特征在于：所述覆盖剂包括以下重量百分比的组分： 60 wt％NaCl，14 wt％KCl，26 wt％Na3AlF6。
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