CN115233060B - 一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强塑弱织构低合金含量Mg‑Zn‑Y‑Ca‑Zr镁合金及其制备方法,属于金属材料技术领域,所述合金由Mg、Zn、Y、Ca和Zr元素组成;按照质量百分比计:Zn:1.0~2.0%,Y:0.05~0.4%,Ca:0.2~0.35%,Zr:0.1~0.3%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%。制备方法包括:合金铸锭制备、均质化处理、热挤压、单道次大压下量高温轧制以及退火处理。本发明制备的高强塑弱织构低合金含量Mg‑Zn‑Y‑Ca‑Zr镁合金具有较高的屈服强度和良好的室温延伸率,其屈服强度可达255MPa以上,室温延伸率超过20%。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域,具体涉及一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金作为最轻的工程结构材料,具有高比强度和比刚度等优势,在航空航天、汽车、通讯设备等领域得到日益广泛的应用。然而,传统镁合金由于其固有的密排六方结构,在室温下可以开启的滑移系有限,无法满足多晶体塑性变形对滑移系数目的要求,因此传统镁合金在室温下具有相对较低的强度和延展性。例如,常见的商业AZ31合金由于其较强的基面织构和各向异性使得其屈服强度一般低于200MPa,延伸率一般为10-15%,较差的强塑性限制了其应用发展。现有技术通过添加高含量合金元素、高添加量稀土元素和以及复杂工艺实现镁合金强塑性的提高。例如,采用轧制工艺加工镁合金板材往往需要多道次,制备流程复杂,成本较高。但由于稀土元素在Mg-Zn系合金中易形成大尺寸高熔点第二相,难以通过热处理固溶进入基体中,影响合金成形性。此外,高组分溶质元素的添加还会进一步增加生产成本。例如,Lin等人报道的轧制退火态Mg-6.75Zn-0.57Zr-0.4Y-0.18Gd合金,总溶质元素含量达到了8wt.%,稀土含量接近0.6wt.%,尽管比商业化AZ31合金的强度和塑性有所提高,但提高效果不显著。其中,织构强度为11.74,屈服强度和延伸率分别为211MPa和14.7%。因此,如何制备一种短流程、低合金添加以及低稀土含量的镁合金,并实现强塑性的提升和织构弱化是镁合金目前亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术难题,本发明提供了一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,按照质量百分数计,所述成分由Zn:1.0~2.0%,Y:0.05~0.4%,Ca:0.2~0.35%,Zr:0.1~0.3%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%组成;
所述镁合金的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在保护气体下,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行多级均质化处理后,再经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在320-420℃下保温10-60min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.1-0.4mm/s,挤压比为8-16:1,挤压温度为340-440℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:将步骤(3)获得的挤压态镁合金型材在350-500℃预热5-30min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为60%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在200-400℃保温3-60min后,再水淬至室温,获得高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,所述的镁合金织构强度为3-5.28。
进一步地,步骤(1)所述的保护气体为CO2和SF6混合气体或氩气和SF6混合气体,混合气体的体积比均为50-99:1。
进一步地,步骤(2)所述的多级均质化处理为3级或2级均质化处理。
进一步地,步骤(2)所述的3级均质化处理为:在250-420℃保温4-9小时,再在325-445℃保温5-10小时,再在360-460℃保温6-11小时。
进一步地,步骤(2)所述的3级均质化处理为:在260-410℃保温5-8小时,再在345-425℃保温6-9小时,再在380-440℃保温7-10小时。
进一步地,步骤(2)所述的2级均质化处理为:在270-400℃保温6-10小时,再在365-405℃保温7-9小时。
进一步地,步骤(3)所述的均质态镁合金坯料在330-410℃保温20-40min后进行挤压,其中挤压速度为0.2-0.3mm/s,挤压比为10-14:1,挤压温度为360-420℃。
进一步地,步骤(4)所述的挤压态镁合金型材在360-450℃预热10-20min。
进一步地,步骤(4)所述的单道次压下量为:单道次压下量为70%-85%。
进一步地,步骤(5)所述的退火处理为在250-350℃保温10-40min。
本发明提供的高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金板材的制备工艺方法简单,成本低廉,生产效率高。本发明通过合金组分之间的相互作用以及工艺的协同作用,取得如下优异效果:
(1)本发明获得的合金为粗晶和细晶空间分布均匀的混晶组织,产生了背应力强化,因此提高了合金屈服强度;同时,本发明通过促进变形过程发生动态再结晶以及细小弥散第二相的析出,实现了对晶界的有效钉扎,并通过稀土元素在晶界处偏聚有效阻碍再结晶晶粒的长大,提高了合金塑性并弱化了合金织构。
(2)与现有技术相比,本发明获得的合金具有更高的屈服强度和良好的延伸率(屈服强度大于255MPa,延伸率大于20%)以及更低的织构强度(3-5.28),有利于提高合金的成形性。
具体实施方式
实施例1
高强塑弱织构低合金含量Mg-1.78Zn-0.3Y-0.27Ca-0.28Zr镁合金(按照质量百分比计:Zn:1.78%,Y:0.25%,Ca:0.26%,Zr:0.28%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行三级均质化处理:在350℃保温7小时,再在375℃保温8小时,再在400℃保温9小时,经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在380℃保温40min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.2mm/s,挤压比为10:1,挤压温度为380℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:步骤(3)获得的获得挤压态镁合金型材在350℃预热10min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为70%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在300℃保温5min后,再水淬至室温,获得Mg-1.78Zn-0.3Y-0.27Ca-0.28Zr镁合金。该合金的组织为细小的静态再结晶等轴晶粒和存储位错的粗大变形晶粒组成混晶组织,并呈现弱织构,其中织构强度仅为4.02,因此实现了背应力强化,有效提高了合金屈服强度。同时,通过合金元素与工艺的协同作用,实现了织构弱化以及细小弥散相的动态析出,抑制了晶粒长大,实现了强塑性的同步增长,合金屈服强度和延伸率分别为275MPa和27%。
实施例2
高强塑弱织构低合金含量Mg-1.85Zn-0.33Y-0.26Ca-0.27Zr镁合金(按照质量百分比计:Zn:1.85%,Y:0.33%,Ca:0.26%,Zr:0.27%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行三级均质化处理:在360℃保温6小时,再在390℃保温7小时,再在410℃保温8小时,经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在400℃保温30min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.3mm/s,挤压比为12:1,挤压温度为400℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:将步骤(3)获得的获得挤压态镁合金型材在350℃预热10min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为70%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在300℃保温3min后,再水淬至室温,获得Mg-1.85Zn-0.33Y-0.26Ca-0.27Zrr镁合金。合金屈服强度和延伸率分别为273MPa和23.5%,织构强度为5.28。
实施例3
高强塑弱织构低合金含量Mg-1.8Zn-0.3Y-0.31Ca-0.3Zr镁合金(按照质量百分比计:Zn:1.8%,Y:0.3%,Ca:0.31%,Zr:0.3%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行多级均质化处理:在350℃保温7小时,再在400℃保温8小时,再在420℃保温9小时,经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在410℃保温30min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.3mm/s,挤压比为12:1,挤压温度为380℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:步骤(3)获得的获得挤压态镁合金型材在375℃预热10min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为70%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在275℃保温30min后,再水淬至室温,获得Mg-1.8Zn-0.3Y-0.31Ca-0.3Zr镁合金。合金屈服强度和延伸率分别为268MPa和26.1%,织构强度为4.58。
实施例4
高强塑弱织构低合金含量Mg-1.77Zn-0.29Y-0.29Ca-0.27Zr镁合金(按照质量百分比计:Zn:1.77%,Y:0.29%,Ca:0.29%,Zr:0.27%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行多级均质化处理:在350℃保温7小时,再在400℃保温8小时,再在420℃保温9小时,经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在350℃保温40min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.2mm/s,挤压比为10:1,挤压温度为390℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:步骤(3)获得的获得挤压态镁合金型材在375℃预热10min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为70%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在275℃保温60min后,再水淬至室温,获得Mg-1.77Zn-0.29Y-0.29Ca-0.27Zr镁合金。合金屈服强度和延伸率分别为264MPa和26.6%,织构强度为4.27。
对比例1
轧制退火态Mg-3Zn-1Y-0.6Ca镁合金(按照质量百分比计:Zn:3%,Y:1%,Ca:0.6%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金和镁-钙中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至铜制水冷模具中,水冷温度在20-40℃,凝固冷速为100-200K/s,获得亚快速凝固铸态镁合金板,板坯厚度为2-8mm;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸板在400℃保温24小时,进行均质化处理,再经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)单道次大压下量轧制:步骤(2)获得的均质态镁合金在225℃预热10-20min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为70%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(4)退火处理:将步骤(3)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在275℃保温60min后,再水淬至室温,获得变形Mg-3Zn-1Y-0.6Ca镁合金。合金屈服强度和延伸率分别为229MPa和3.9%。
对比例2
轧制退火态Mg-1.81Zn-0.28Y-0.32Ca-0.29Zr镁合金(按照质量百分比计:Zn:1.81%,Y:0.28%,Ca:0.32%,Zr:0.29%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%),它的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在通有体积比为99:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至浇注至铜制水冷模具中,水冷温度在20-40℃,凝固冷速为100-200K/s,获得亚快速凝固铸态镁合金板,板坯厚度为2-8mm;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭在450℃保温12小时,进行均质化处理,再经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)轧制变形:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料先加热至275℃后保温10min,再进行12道次的轧制变形,从第二道次到第十二道次中的每道次轧制方向保持不变,总压下量为70-90%,每道次轧制后的合金在275℃保温10分钟后再进行下一道次轧制,最终获得轧制态镁合金板材;
(4)退火处理:将步骤(3)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在225℃保温120min后,再水淬至室温,获得变形Mg-1.81Zn-0.28Y-0.32Ca-0.29Zr镁合金。合金室温拉伸平均屈服强度和断裂延伸率分别为212MPa和22.3%。
对比例3
(B.N.DU et al,“Microstructural characteristics and mechanicalproperties of the hot extrudedMg-Zn-Y-Ndalloys(热挤压Mg-Zn-Y-Nd合金的微观结构特征和机械性能)”,Journal ofMaterials Science&Technology,60卷,2021年,44-55页,ISSN:1005-0302)报道的Mg-Zn-Y-Nd合金,按质量百分计:Zn:4%、Y:0.8%,Nd:0.5%,余量为Mg,作者在通有体积比为100:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、Mg-25Y中间合金和Mg-25Nd中间合金为原料熔炼,待完全熔化后搅拌,吹入氩气、打渣、静置保温后,浇注至预热200-300℃,直径为130mm的钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭,随后将铸态Mg-Zn-Y-Nd合金在500℃预热2h后,在460℃进行热挤压,挤压速率为0.5mm/s,挤压比为6.76:1。获得的Mg-Zn-Y-Nd合金屈服强度~250MPa,延伸率为10%,织构强度为10.59。
对比例4
(Xia Lin et al,“Deformation mechanism,orientation evolution andmechanical properties ofannealed cross-rolledMg-Zn-Zr-Y-Gd sheetduringtension(退火交叉轧制Mg-Zn-Zr-Y-Gd板材在拉伸过程中的变形机制、取向演变和机械性能)”,Journal ofMagnesium andAlloys,2021年,ISSN:2213-9367)报道的Mg-Zn-Zr-Y-Gd合金,按质量百分计:Zn:6.75%、Zr:0.57%、Y:0.4%,Gd:0.18%,余量为Mg,作者将锻压Mg-Zn-Zr-Y-Gd合金在425℃预热30min后,在425℃进行12普通轧制,总压下量为90%,道次间在425℃下保温15min,每道次轧制后样品旋转90°再进行下一道次轧制,轧制后的合金进行400℃/1h的退火处理后水淬至室温,获得的Mg-Zn-Y-Nd合金屈服强度~211MPa,延伸率为14.7%,织构强度为11.74。
对比例5
(Jingfeng Wang et al,“Effects of phase composition on the mechanicalproperties and damping capacities ofas-extrudedMg–Zn–Y–Zr alloys(相组成对Mg-Zn-Y-Zr合金的机械性能和阻尼性能的影响)”,Journal ofAlloys and Compounds,509卷,2011年,8567-8572页,ISSN:0925-8388)报道的Mg-Zn-Y-Zr合金,按质量百分计:Zn:5.94%、Y:0.96%、Zr:0.37%,余量为Mg,作者在通有体积比为99.8:1的CO2、SF6混合保护气氛中,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、Mg-25Y中间合金和Mg-30Zr中间合金为原料熔炼,待完全熔化后搅拌,吹入氩气、打渣、静置保温后浇注至模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭,将铸态Mg-Zn-Y-Zr合金在400℃预热29h后,在450℃进行热挤压,挤压比为25:1。获得的Mg-Zn-Y-Zr合金屈服强度~243MPa,延伸率为14%。
将本发明实施例1-4与对比例1-5加工的合金进行比较,本发明实施例获得的合金强度、塑性均优于对比例公开的合金,此外实施例的织构强度低于对比例公开的数据,实现了弱织构的有益效果;当本发明实施例1-4与对比例1、3、4和5进行比较时,上述4个对比例的合金添加量以及稀土添加量均高于实施例公开的组分的情况下,并且实施例与对比例的公开的工艺均有所不同的情况下,本发明实施例的强度、塑性均优于对比例公开的合金,此外对比例3和4的织构强度均小于实施例的织构强度。因此,与对比例相比,本发明实现了较弱织构的有益效果,与现有技术相比,本发明在减少合金添加量的情况下,即节约成本的情况下,却取得了显著的技术效果;此外,本发明实施例3的合金组分与对比例2公开的合金组分比例最为相似,但二者工艺有所不同,但本发明实施例3获得的合金强度和塑性均高于对比例2公开的数据,上述结论说明:本发明是通过合金之间的相互作用以及工艺的协同作用,使得合金同步提高了强度和塑性,并使得合金获得较好的弱织构结构。
Claims (7)
1.一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:按照质量百分数计,成分由Zn:1.0~2.0%,Y:0.05~0.4%,Ca:0.2~0.35%,Zr:0.1~0.3%,余量为Mg和不可避免的杂质≤0.05%组成;
所述镁合金的制备方法包括如下步骤:
(1)合金铸锭制备:在保护气体下,按照上述质量配比,将纯镁、纯锌、镁-钇中间合金、镁-钙中间合金和镁-锆中间合金为原料在680℃-720℃熔炼,待完全熔化后搅拌5-10min,随后吹入氩气、打渣、静置保温5-20min后,浇注至预热200℃-250℃钢制模具中,冷却至室温获得镁合金铸锭;
(2)均质化处理:将步骤(1)获得的镁合金铸锭进行多级均质化处理后,再经水淬至室温后获得均质态镁合金坯料;
(3)热挤压:将步骤(2)获得的均质态镁合金坯料在320-420℃下保温10-60min后,进行热挤压,其中挤压速度为0.1-0.4mm/s,挤压比为8-16:1,挤压温度为340-440℃,获得挤压态镁合金型材;
(4)单道次大压下量高温轧制:将步骤(3)获得的挤压态镁合金型材在350-500℃预热5-30min,在型材上下分别添加厚度1-2mm的钢板后,进行单道次轧制,单道次压下量为60%-90%,最终获得轧制态镁合金板材;
(5)退火处理:将步骤(4)获得的轧制态镁合金板材进行退火处理,在200-400℃保温3-60min后,再水淬至室温,获得高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,所述的镁合金织构强度为3-5.28;
步骤(2)所述的多级均质化处理为3级或2级均质化处理;所述的3级均质化处理为:在250-420℃保温4-9小时,再在325-445℃保温5-10小时,再在360-460℃保温6-11小时;所述的2级均质化处理为:在270-400℃保温6-10小时,再在365-405℃保温7-9小时。
2.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(1)所述的保护气体为CO2和SF6混合气体或氩气和SF6混合气体,混合气体的体积比均为50-99:1。
3.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(2)所述的3级均质化处理为:在260-410℃保温5-8小时,再在345-425℃保温6-9小时,再在380-440℃保温7-10小时。
4.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(3)所述的均质态镁合金坯料在330-410℃保温20-40min后进行挤压,其中挤压速度为0.2-0.3mm/s,挤压比为10-14:1,挤压温度为360-420℃。
5.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(4)所述的挤压态镁合金型材在360-450℃预热10-20min。
6.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(4)所述的单道次压下量为:单道次压下量为70%-85%。
7.根据权利要求1所述的一种高强塑弱织构低合金含量Mg-Zn-Y-Ca-Zr镁合金,其特征在于:步骤(5)所述的退火处理为在250-350℃保温10-40min。
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