CN113718174B - 一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法 - Google Patents

一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法,属于高强韧长寿命轴承钢制造技术领域。该轴承钢化学组成为:0.64~0.94wt%C,1.20~1.80wt%Cr,≤0.65wt%Si,≤0.65wt%Mn,≤0.30wt%Ni,≤0.25wt%Cu,≤0.15wt%Mo,≤0.15wt%Nb,≤0.15wt%V,≤0.15wt%Zr,其中Nb、V、Mo和Zr添加总量要求0.10%≤Nb+V+Mo+Zr≤0.30%,余量为铁及不可避免的杂质。优点在于,具有组织细化、韧性高和疲劳寿命长,能够满足高端装备对高冲击、高转速、长寿命、高可靠性和低成本轴承钢组织性能需求。

Description

一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法
技术领域
本发明属于高强韧长寿命轴承钢制造技术领域,特别是提供了一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法。
背景技术
轴承被广泛应用在各种需要转动的装备与部件,以支撑轴承零部件转动和提高转动效率。轴承钢是用来制造轴承内外圈和滚动体的主要原材料,包括高碳轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢以及无磁轴承钢等。其中高碳轴承钢应用最为广泛,占到轴承钢总量的80%以上。但以GCr15为代表的高碳轴承钢的冲击韧性比较低,无缺口冲击基本在50J和U-型缺口冲击不高于10J,导致一些冲击场合的轴承需要高韧性的渗碳轴承钢。同时高碳轴承钢的接触疲劳寿命也远远低于渗碳轴承钢,导致一些长寿命和高安全场合应用的轴承也必须选用渗碳轴承钢。但渗碳轴承钢存在材料成本高和渗碳工艺复杂昂贵。因此如何进一步提升高碳轴承钢的韧性,开发出高韧性长寿命低成本的高碳轴承钢,成为轴承制造与轴承钢研发努力的目标。
以GCr15为代表的高碳轴承钢,碳含量平均达到1.0%左右。经过常规的炉外精炼、连铸(LF+VD/RH+CC)和球化退火,轴承钢中的组织相对粗大、轴承钢中的碳化物不仅不可避免的存在网状与带状,还存在较多和较大的碳化物颗粒。高碳轴承钢的这些冶金缺陷,严重降低了高碳轴承钢的强韧性和抗疲劳性能。为了解决这一问题,人们在传统高碳轴承钢的基础上,通过降低钢种碳含量,开发了碳含量为0.8%的高碳轴承钢G8Cr15,以改善轴承钢中的碳化物网状、碳化物带状和大颗粒碳化物等缺陷。但是G8Cr15的出现并没有大幅度提升轴承钢的接触疲劳寿命和强韧性,也不能满足高冲击、高负载、高转速和长寿命轴承应用要求,这可能与轴承钢碳化物尺寸降低导致耐磨性不足所导致的。与GCr15一样,不锈轴承钢中的440C轴承钢含有约1.0%的碳和16-18%的铬,导致440C中的碳化物更加粗大,不仅严重影响了440C的接触疲劳寿命,也严重削弱了440C钢的耐蚀性能。为此,国内外开展了不锈轴承钢降碳,减小轴承钢碳化物和提升碳化物均匀性,结果是大幅度提升了不锈轴承钢的耐蚀性能和疲劳性能。在440C基础上开发出的不锈轴承钢为440A/B,或7Cr14Mo。但无论是从GCr15降碳研发出的G8Cr15,还是从440C降碳研发出的7Cr14Mo均没有大幅度提升轴承钢的强韧性,也就无法满足高冲击、高负载和长寿命轴承需求。总体来说,轴承钢降低碳含量的中高碳轴承钢合金化设计,可以细化碳化物提高碳化物的均匀性,是未来轴承钢的重要发展方向,但需要新型合金化提升轴承钢的耐磨性。
通过强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V、Mo等与碳结合形成强碳化物,不仅可以将钢材料原始奥氏体晶粒尺寸细化一倍以上,还可以通过强碳化物合金化设计,抑制大颗粒碳化物形成,细化碳化物尺寸。对于轴承钢而言,Ti含量过高会导致轴承钢中形成带尖角的TiN、TiC或Ti(CN),严重影响轴承钢的接触疲劳寿命。因此Ti元素的合金化不适合在轴承钢中使用。针对高碳轴承钢中的组织细化与碳化物细化以提升轴承钢强韧性和抗疲劳性能需求,进行高碳轴承钢的Zr、Nb、V、Mo等强碳化物合金化是可行的。传统轴承钢GCr15的降碳合金化设计形成的G8Cr15与不锈轴承钢440C的降碳设计形成的440A,大幅度细化了轴承钢中的碳化物,提高了轴承钢碳化物分布均匀性(网状和带状级别明显改善了1级以上)。但是碳化物的细化却导致轴承钢G8Cr15和440A的耐磨性降低,不利于疲劳寿命的提升。传统的微合金化就是一种强碳化物合金化,不仅可以细化碳化物和原始奥氏体晶粒尺寸,还可以通过微合金化对传统轴承钢GCr15和440C碳化物进行改性,大幅度提升轴承钢的耐磨性。经过强碳化物合金化,使得传统的Fe3C和M23C6等碳化物溶入了Zr、Nb、V、Mo等合金元素,提高了碳化物的硬度,从而使轴承钢的耐磨性能得到大幅度提升。同时强碳化物合金元素溶入碳化物还可以大幅度提升碳化物的稳定性,延缓了接触疲劳过程中碳化物的分解,提升了轴承钢在疲劳过程中的组织稳定性,也是提升轴承钢接触疲劳性能的重要原因之一。与传统的中低碳钢的微合金化不同,传统的微合金化中一般加入微合金含量不超过0.05%,主要作用是抑制低中碳合金钢的原始奥氏体晶粒尺寸,从而细化组织提高韧性。而轴承钢属于中高碳钢,不仅需要进行Zr、Nb、V、Mo等强碳化物合金化设计实现原始奥氏体晶粒尺寸的细化,同时需要强化物合金化提升轴承钢中碳化物的稳定性,实现轴承钢原始奥氏体尺寸与碳化物共同的细质化、均匀化和稳定化,以达到大幅度提升轴承钢的接触疲劳寿命。
为此,本专利提出了对高碳轴承钢进行降碳(从0.95-1.05%的范围平均1.0%降低到0.64-0.94%范围的平均0.79%,平均降低0.21%)和Nb、Mo、V和Zr等强碳化物合金化相结合的轴承钢成分设计,实现晶粒度从传统轴承钢GCr15的8级提升到发明钢的10级以上和轴承钢碳化物的网状和带状均降低到1.5级以下、轴承钢碳化物平均尺寸降低50%,实现轴承钢原始奥氏体晶粒尺寸与碳化物平均尺寸双细化的冶金质量控制目标。发明钢的冲击韧性达到Aku≥20J,达到GCr15的3倍,抗拉强度≥2500MPa,4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命L10≥7.0x107次,比传统轴承钢GCr15的L10≥0.70x107次高出10倍。发明钢具有超细组织、超高韧性和超长接触疲劳性能等组织性能特点,满足了高载荷、高冲击和长寿命轴承对轴承钢质量、性能与寿命要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法,通过对高碳轴承钢进行降碳(从0.95-1.05%的范围平均1.0%降低到0.64-0.94%范围的平均0.79%,碳平均降低0.21%)和Nb、Mo、V和Zr等强碳化物形成元素合金化成分优化设计相结合,大幅度细化了轴承钢中碳化物和原始奥氏体晶粒尺寸,解决了传统轴承钢GCr15的组织粗大、强韧性低和接触疲劳寿命偏低问题,形成了一种高强韧长寿命中高碳轴承钢成分设计、冶金工艺及组织性能调控等技术。发明钢可以通过轴承钢的传统工艺流程转炉/电炉+炉外精炼LF+真空脱气VD/RH,生产出硬度≥58HRC、抗拉强度Rm≥2500MPa、U-型缺口冲击Aku≥20J和接触疲劳寿命L10≥7.0x107次的中高碳轴承钢。相比于传统高碳轴承钢GCr15,发明钢的冶金质量和疲劳寿命均得到大幅度提升,具有组织细化、韧性高和疲劳寿命长,能够满足高端装备对高冲击、高转速、长寿命、高可靠性和低成本轴承钢组织性能需求。为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明的高强韧长寿命中高碳轴承钢化学组成为:0.64~0.94wt%C,1.20~1.80wt%Cr,≤0.65wt%Si,≤0.65wt%Mn,≤0.30wt%Ni,≤0.25wt%Cu,≤0.15wt%Mo,≤0.15wt%Nb,≤0.15wt%V,≤0.15wt%Zr,其中Nb、V、Mo和Zr添加总量要求0.10%≤Nb+V+Mo+Zr≤0.30%,余量为铁及不可避免的杂质。
化学组成优选的:C:0.75~0.85wt%,Cr:1.45~1.50wt%,Si 0.30~0.34wt%,Mn:0.40~0.44wt%,Ni:0.20~0.24wt%,Cu:0.20~0.24wt%,Nb:0.02~0.09wt%,Mo:0.02~0.09wt%,V:0.02~0.09wt%,Zr:0.02~0.09wt%,余量为铁及不可避免的杂质。
化学组成进一步优选的,:0.80wt%C,1.50wt%Cr,0.34wt%Si,0.44wt%Mn,0.24wt%Ni,0.24wt%Cu,0.09wt%Nb,0.06wt%Mo,0.06wt%V,0.06wt%Zr,余量的铁。
本发明晶粒度从传统轴承钢GCr15管材8级提升到发明钢的10.0级以上和轴承钢碳化物的网状和带状均降低到1.5级以下;冲击韧性达到Aku≥20J、抗拉强度≥2500MPa和4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命L10≥7.0x107次,可以满足高载荷、高冲击和长寿命轴承对轴承钢质量、性能与寿命要求。
本发明提供了上述方案所述双细化、高强韧和长寿命的高碳轴承钢的制备方法可以通过真空感应、炉外精炼、电渣冶炼和真空自耗等冶炼方式进行冶炼,可以通过模铸、连铸等凝固方式进行铸造得到钢锭,将钢锭通过高温扩散均匀化处理加工成棒材、将棒材依次进行球化退火、淬火和回火,得到双细化、高强韧和长寿命的高碳轴承钢。通过热轧或热锻等热变形、球化退火等热处理工艺措施制备出规格5mm~150mm的轴承钢棒材、线材和管材。其中热变形过程中的变形总量不低于4。
本发明优选地:所述的均匀化处理的温度为1050~1250℃,保温时间为2~30小时。
本发明优选地:所述的球化退火的过程包括:将所述棒材在800~860℃进行保温0.5~12小时后,冷却到680~740℃进行0.5~12小时保温处理,最后空冷到室温。
本发明优选地:所述的淬火的温度为820~860℃,保温时间为0.10~1.0小时;所述淬火的冷却方式为油淬。
本发明优选地:所述的回火的温度为130~220℃,保温时间为0.5~3.5小时;所述回火的冷却方式为空冷。
本发明优选地:棒材、线材或管材的加工方式为热锻或热轧,热锻或热轧的温度为1200~950℃。
轴承钢GCr15国标GB18254-2016要求的基础上,通过将轴承钢进行降碳和Nb、V、Mo和Zr等强碳化物元素添加,实现直径5-150mm轴承钢棒材、线材和管材的接触疲劳寿命的大幅提升,满足大型轴承对轴承钢棒材质量与寿命要求。实施例的结果表明,本发明通过将轴承钢Nb、V、Mo和Zr强碳化物元素,较传统轴承钢GCr15具有更细的组织结构、更高的冲击韧性和更长的接触疲劳寿命,特别是直径规格60mm棒材接触疲劳寿命L10≥10.0x107次,比相同规格传统GCr15提升了10倍以上。
本发明各元素的作用及配比依据如下:
C:作为轴承钢中碳化物形成元素和高淬透性淬硬性元素,一方面要保证1.0左右的碳化物含量,过高的碳化物含量则无法保证,另一方面又要保证马氏体基体的硬度超过58HRC。因此轴承钢中的碳含量应控制在0.64%-0.94%的范围内;
Si:作为轴承钢中提高弹性性能的元素,Si的存在不仅可以抑制轴承钢低温回火过程中渗碳体的出现,同时提高轴承钢的弹性极限。但过高的Si含量会降低高碳轴承钢的切削性能,因此新型轴承钢中的Si含量应控制在≤0.65wt%Si;
Mn:作为提升轴承钢淬透性的元素,但过高的Mn含量会导致Mn在晶界偏析和残余奥氏体含量控制难度加大,一般不超过0.65%;
Cr:作为提高轴承钢淬透性和促进碳化物稳定的元素,起到基体高硬度和稳定碳化物的作用,需要轴承钢中的Cr含量不低于1.35%。但随着碳含量降低,Cr含量可以降低到1.20%。同时过高的Cr含量一方面不利于碳化物控制,同时也不利于强韧性提升。因此Cr元素含量应该控制在1.20%-1.80%的范围内;
S:作为轴承钢原材料的带入元素,过高的S含量会导致钢液凝固过程中产生大片装硫化物(MnS),在轧制过程中形成平行于轧制方向的长条状MnS,割裂了垂直于轧制方向的轴承钢基体,恶化了垂直于轧制方向的轴承钢强韧性,需要严格控制。为了保证轴承钢的高等向性,需要将轴承钢中的S含量控制在80ppm以下;
P:作为轴承钢原材料的带入元素,过高的P含量会导致钢液凝固过程中在晶界偏聚,恶化轴承钢的强韧性,需要加以控制。但考虑到轴承钢生产经济性和保证轴承钢强韧性,需要将轴承钢中的P含量控制在P≤0.015%;
Ni:Ni是提高轴承钢韧性的一种元素,但由于Ni价格过高,所以一般控制轴承钢中的Ni含量不大于0.30%;
Cu:Cu是轴承钢中有益于耐蚀性提升的元素,但过高的Cu含量不利于轴承钢的热加工,其含量不应大于0.25%的范围内。
Nb、Mo、V和Zr:均是强碳化物元素,可以通过冶炼、铸造、热轧和热处理等工艺进行单一或联合添加,形成单一或复合的强碳化物,实现轴承钢中碳化物与原奥氏体晶粒尺寸双细化的细质化、均质化与稳定化,提升新型轴承钢的硬度、强韧性和接触疲劳性能。但考虑到Nb、Mo、V和Zr等微合金化元素成本较高和过高的微合金元素添加不利于原始奥氏体晶粒尺寸的细化和均匀化。因此应将强碳化物元素含量控制在0.10%≤Nb+V+Mo+Zr≤0.30%的范围内。
附图说明
图1给出了为强碳化物中高碳轴承钢直径60规格的发明钢B75棒材、直径120mm的B85棒材与传统轴承钢C100的直径为60mm和120mm棒材接触疲劳寿命weibull图。表明中高碳合金化与Nb、Mo、V和Zr等强碳化物形成元素相结合的化学成分设计可大幅提升接触疲劳寿命。
图2给出了发明钢与传统工业化钢接触疲劳寿命L10对比表明发明钢具有更高的疲劳寿命和较小的氧含量影响图。
具体实施方式
本发明提供的中高碳轴承钢,化学组成包括:0.64~0.94wt%C,1.20~1.80wt%Cr,≤0.65wt%Si,≤0.65wt%Mn,≤0.30wt%Ni,≤0.25wt%Cu,≤0.15wt%Mo,≤0.15wt%Nb,≤0.15wt%V,≤0.15wt%Zr,其中Nb、V、Mo和Zr等强碳化物形成元素的添加总量要求0.10%≤Nb+V+Mo+Zr≤0.30%,余量元素为铁及其他不可避免的杂质。此外,本发明提供的中高碳轴承钢还包括不可避免的杂质。
本发明通过将轴承钢进行Nb、V、Mo和Zr等强碳化物元素,实现本发明的直径5-150mm规格轴承钢的接触疲劳寿命的大幅提升,最高提升10倍以上。
本发明提供了上述方案所述双细化、高强韧和长寿命高碳轴承钢的制备方法,包括以下步骤:
将高碳轴承钢的制备原料进行冶炼,得到钢锭;所述钢锭的化学组成对应上述方案所述高碳轴承钢的化学组成;
将所述钢锭进行均匀化处理后,加工成棒材;
将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火,得到双细化、高强韧和长寿命中高碳轴承钢。
本发明将中高碳轴承钢的制备原料进行冶炼,得到钢锭。在本发明中,所述冶炼的方式优选为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。本发明对所述冶炼的过程没有特殊要求,采用本领域熟知的电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼即可。本发明所述冶炼适用于转炉、电炉或感应炉。在本发明中,所述钢锭的化学组成对应上述方案所述中高碳轴承钢的化学组成。本发明对所述各制备原料的种类和来源没有特殊要求,能够满足钢锭的成分要求即可。本发明通过冶炼实现轴承钢中氧含量不高于15ppm和大颗粒夹杂物尺寸DS≤20微米。
得到钢锭后,本发明将所述钢锭进行均匀化处理后,加工成棒材。
在本发明中,所述均匀化处理的温度优选为1220℃;保温时间优选为10小时。完成所述均匀化处理后,本发明将所得坯料加工成棒材、线材和管材。在本发明中,所述加工的方式优选为热锻或热轧,所述热锻或热轧的温度优选为1150℃。本发明通过均匀化处理可以获得基体和碳化物的细化与均匀化。本发明优选将加工好的棒材空冷至室温然后再进行后续步骤。
得到棒材后,本发明将所述棒材进行球化退火,得到退火棒材。通过后续处理可以得到中高碳轴承钢线材和管材。
在本发明中,所述球化退火的过程优选包括:将所述棒材在820℃进行保温4小时后,冷却到690℃进行4小时保温处理,最后空冷到室温。本发明通过球化退火获得均匀细小的碳化物。
得到退火棒材后,本发明对所述退火棒材进行淬火,得到淬火棒材。在本发明中,所述淬火的温度优选为840℃,保温时间优选为0.5小时;所述淬火的冷却方式优选油淬。本发明对所述油淬的过程没有特殊要求,采用本领域熟知的油淬即可。
得到淬火棒材后,本发明将所述淬火棒材进行回火,得到双细化、高强韧和长寿命的高碳轴承钢。在本发明中,所述回火的温度为170℃,保温时间为3小时;所述回火的冷却方式优选为空冷。本发明利用淬火和回火获得超细的原奥氏体组织和碳化物颗粒,其中原始奥氏体晶粒度不小于10级。
下面结合实施例对本发明提供的大规格棒材的高碳轴承钢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:
本发明钢由实验室通过中高碳和强碳化物元素添加的合金化设计,真空感应炉冶炼,浇铸锭型为50kg的圆锭,共冶炼8炉钢供锻造棒状样品,化学成分见表1。B65、B70、B75、B80、B85、B90和B95钢为本发明的中高碳轴承钢,C100为根据国标GB18254-2016的轴承钢成分设计的传统轴承钢GCr15。实验室真空感应冶炼的轴承钢钢锭经过1200℃和12小时均匀化处理,进行锻造开坯。锻造初始温度1150℃,初始截面尺寸为450mm铸坯径向锻造成截面尺寸为60mm的圆棒,锻后空冷。锻后圆棒经过球化退火处理(加热至800℃保温5h,随炉冷却至720℃等温2h,空冷至室温)后加工成接触疲劳试样,将这些试样进行淬火(840℃保温0.5小时后油冷到室温)和低温回火处理(170℃保温3小时后空冷到室温),最后进化学成分行、晶粒度、拉伸性能、冲击性能和接触疲劳试验(接触疲劳试验:最大赫兹应力为4.5GPa的推力片试验),其结果见表2,规格为直径60mm的B65、B75和B95、规格为直径120mm的B80和规格为直径60及120mm的C100钢接触疲劳寿命weibull图见图1,可以看出,发明钢的接触疲劳寿命不低于L10≥7.0x107次,棒材直径60mm的C100的接触疲劳寿命L10≥0.70x107次,而棒材直径120mm的C100的接触疲劳寿命仅为L10≥0.20x107次。可见发明钢的接触疲劳寿命L10提升了10倍以上。由图1可知晓,本发明通过中高碳合金化与Nb、Mo、V和Zr等强碳化物元素添加的成分设计与传统轴承钢生产制造,可以大幅提升轴承钢的接触疲劳寿命。图2给出了表1与表2列出的发明钢与传统工业化钢的接触疲劳寿命对比,可以看出虽然发明钢的氧含量高于传统工业化轴承钢的氧含量,但疲劳寿命却远远高于传统工业化轴承钢GCr15。
表1本发明钢与传统钢化学成分(wt%),未列出元素为铁和其他不可避免杂质元素
Figure BDA0003223332420000101
表2本发明钢与传统钢的直径规格、晶粒度、硬度和接触疲劳性能疲劳性能
Figure BDA0003223332420000111

Claims (8)

1.一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢,其特征在于,化学组成为:C:0.64~0.90wt%,Cr:1.20~1.80wt%,Si≤0.65wt%,Mn≤0.65wt%,Ni≤0.30wt%,Cu≤0.25wt%,Mo≤0.15wt%,≤0.15wt%Nb,V≤0.15wt%,Zr≤0.15wt%,其中Nb、V、Mo和Zr添加总量要求0.10%≤Nb+V+Mo+Zr≤0.30%,余量的铁及其他不可避免的杂质;
晶粒度从传统轴承钢GCr15管材8级提升到发明钢的10.0级以上和轴承钢碳化物的网状和带状均降低到1.5级以下;冲击韧性达到Aku≥20J、抗拉强度≥2500MPa和4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命L10≥7.0x107次,可以满足高载荷、高冲击和长寿命轴承对轴承钢质量、性能与寿命要求。
2.根据权利要求1所述的中高碳轴承钢,其特征在于,化学组成为:C:0.75~0.85wt%,Cr:1.45~1.50wt%,Si 0.30~0.34wt%,Mn:0.40~0.44wt%,Ni:0.20~0.24wt%,Cu:0.20~0.24wt%,Nb:0.02~0.09wt%,Mo:0.02~0.09wt%,V:0.02~0.09wt%,Zr:0.02~0.09wt%,余量为铁及不可避免的杂质。
3.一种权利要求1或2所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,通过真空感应、炉外精炼、电渣冶炼或真空自耗冶炼方式进行冶炼,通过模铸或连铸凝固方式进行铸造得到钢锭,将钢锭通过高温扩散均匀化处理加工成棒材、将棒材依次进行球化退火、淬火和回火,得到双细化、高强韧和长寿命的高碳轴承钢;通过高温扩散均匀化、热轧或热锻热变形、球化退火热处理工艺制备出规格5mm~150mm的轴承钢棒材、线材或管材;热变形过程中的变形总量不低于4。
4.根据权利要求3所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,所述的均匀化处理的温度为1050~1250℃,保温时间为2~30小时。
5.根据权利要求3所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,所述的球化退火的过程包括:将所述棒材在800~860℃进行保温0.5~12小时后,冷却到680~740℃进行0.5~12小时保温处理,最后空冷到室温。
6.根据权利要求3所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,所述的淬火的温度为820~860℃,保温时间为0.10~1.0小时;所述淬火的冷却方式为油淬。
7.根据权利要求3所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,所述的回火的温度为130~220℃,保温时间为0.5~3.5小时;所述回火的冷却方式为空冷。
8.根据权利要求3所述的中高碳轴承钢的制备方法,其特征在于,棒材、线材或管材的加工方式为热锻或热轧,热锻或热轧的温度为1200~950℃。
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