CN115449704A - 一种新能源汽车轮毂轴承用钢及其生产方法 - Google Patents

一种新能源汽车轮毂轴承用钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车轮毂轴承用钢及其生产方法,产品显微组织为均匀的铁素体+珠光体组织,其中铁素体占比为25‑40%,其余为珠光体组织,铁素体晶粒度≥7级。圆钢试样经830℃正火后,抗拉强度≥750MPa,屈服强度≥500MPa,断后伸长率≥12%,断面收缩率≥40%,钢材硬度≤255HBW,末端淬透性J1.5≥62HRC,J3≥60HRC。整个生产流程:初炼—二次精炼—真空脱气—连铸—正火轧制—软化退火。与目前G55钢材相比,耐磨性、淬透性和晶粒度得了明显的改善,能更好满足新能源汽车轮毂轴承用钢的要求。

Description

一种新能源汽车轮毂轴承用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域,尤其涉及一种新能源汽车零件用钢的冶炼方法。
背景技术
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源,综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。在能源和环保的压力下,新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。
轮毂轴承是新能源汽车的一个主要零部件,是承重和为轮毂的转动提供精确引导,它既承受轴向载荷又承受径向载荷,是一个非常重要的零部件。因此对制作轮毂轴承的原材料轮毂轴承用钢性能的要求也越来越高,特别是对材料的耐磨性、淬透性、纯净度及组织均匀性等性能都有着严格的要求。根据轮毂轴承的使用条件,轮毂轴承用钢必须具备下列性能:高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性,高的耐磨性能,高且均匀的硬度等。此外,用户在对材料加工时,由于需要对轮毂轴承套圈沟道处进行表面淬火,对钢材的淬透性能也提出了要求。
轮毂轴承早期是与转向节分开,所以采用最常规的高碳铬GCr15轴承钢材料,随着汽车制造业的发展,后续轮毂轴承与法兰集成一体,常规的GCr15在加工及热处理方面无法满足要求,主要制造商开始采用中碳轴承钢G55的原材料。但在使用过程中也存在一些问题,如其碳含量低,其淬透性及耐磨性不如高碳钢,此外,由于传统的G55钢材奥氏体晶粒度较粗大,在钢材锻造后往往需要正火处理,产品晶粒度才能满足要求,增加了加工成本。
发明内容
为了克服上述钢材的缺点,本发明提出一种新能源汽车轮毂轴承用钢及其制造方法,解决目前G55钢材耐磨性、淬透性和晶粒度不足的问题,能更好满足新能源汽车轮毂轴承用钢的要求。
本发明钢材的主要技术指标如下:
显微组织为均匀的铁素体+珠光体组织,其中铁素体占比为25-40%,其余为珠光体组织,铁素体晶粒度≥7级。
钢材非金属夹杂物按GB/T 10561A法检验,脆性不可变形夹杂物B细≤1.5级,B 粗≤1.0级,D细≤1.0级,D粗≤0.5级,Ds≤1.0级。
圆钢试样经830℃正火后,抗拉强度≥850MPa,屈服强度≥500MPa,断后伸长率≥12 %,断面收缩率≥40%,钢材硬度≤255HBW,末端淬透性J1.5≥62HRC,J3≥60HRC。
为了实现上述技术指标,本申请采用的元素设计:C:0.65~0.75%,Si:0.15~0.35%,Mn:0.60~0.80%,Cr:0.30~0.60%,P:≤0.010%,S:0.005~0.010%, Al:0.010~0.050%,N:0.005~0.010%,Al/N:1.5~3.5,Cu:≤0.10%,Ni:≤0.05 %,Mo:≤0.10%,Ti:≤0.0015%,Ca:≤0.0010%,O≤0.0006%,余量为Fe及不可避免的杂质元素。各元素及含量的设置依据如下:
1)C含量的确定
C是确保钢材耐磨性所必须的元素,提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力,从而提高它的硬度和强度,进而提高耐磨性。但过高的C含量对钢的韧性不利。本发明控制其含量为0.65~0.75%。
2)Si含量的确定
Si为本发明中的关键元素。Si固溶在铁素体相中,有较强的固溶强化作用,能显著提高铁素体强度,但同时降低铁素体的塑性和韧性。发明钢的Si含量的设定范围0.15~0.35%。
3)Mn含量的确定
Mn作为炼钢过程的脱氧元素,是对钢的强化有效的元素,起固溶强化作用。而且Mn能提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能。Mn能消除S(硫)的影响:Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS,进而消弱和消除S的不良影响。但Mn含量高,会降低钢的韧性。本发明的Mn含量控制在0.60~0.80%。
4)Cr含量的确定
Cr是碳化物形成元素,能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。但Cr含量过高,钢材的硬度过大,不利于客户加工使用,本发明Cr含量的范围确定为0.30-0.60%。
5)Al和N含量的确定
Al作为钢中脱氧元素加入,除为了降低钢水中的溶解氧之外,Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时,钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al2O3等脆性夹杂,降低钢水纯净度,影响成品的使用寿命。所以发明要求Al:0.010~0.050 %,N:0.005~0.010%,Al/N:1.5~3.5。
7)Ti含量的确定
Ti在钢中会形成碳氮化钛夹杂物,这种夹杂物坚硬、呈棱角状,严重影响材料的疲劳寿命,轮毂轴承做为汽车安全件,原材料必须尽量减少出现这种夹杂物的可能性。因此本发明对Ti含量要求非常严格,Ti含量的范围确定为Ti:≤0.0015%。
8)Ca含量的确定
Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸,同时由于点状氧化物硬度高,塑性差,在钢变形时其不变形,容易在交界面处形成空隙,使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001%。
9)O含量的确定
氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少,氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命,大量试验表明,氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0006%。
10)P、S含量的确定
P在钢中严重引起凝固时的偏析,P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大,且增加冷脆性,因汽车轮毂轴承可能在寒冷地方运行,必须尽可能降低材料发生冷脆的风险,因此本发明P含量的范围确定为≤0.010%。S使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,但S能提高钢材的切削性能,本发明S含量的范围确定为0.005~0.010%。
本申请的生产关键之一是要控制钢材中的P、Ti含量,传统冶炼方式无法达到如此要求,本申请相应的设计了如下生产方法:
整个生产流程:电炉或转炉(初炼)—二次炉外精炼—(VD或RH)真空脱气—连铸—连轧—软化退火—精整—打件入库。主要生产步骤如下:
步骤1初炼及首次精炼:按照设计的元素成分准备合金原料和铁水,装入初炼炉中,通电并吹氧助熔,对于脱P和脱Ti需要在强氧化性范围内进行,吹氧促进钢中的Ti元素氧化并上浮到钢水表面的炉渣中,同时吹氧也可起到脱P效果,但靠强吹氧来实现低P低Ti的目的,钢水氧化性过强,后续精炼脱氧很难达到目标要求。因此,本发明特别采用二次精炼的方式来配合初炼。初炼通过强吹氧将转炉或电炉的P和Ti控制在很低的含量,控制初炼终点碳含量在0.05~0.15%,在出钢时添加脱P剂(主要成分是石灰CaO系)+萤石和石灰继续脱P,加萤石目的是改善钢渣流动性,否则因添加过多石灰系,钢渣过黏,不利于操作。而后将钢包转移到精炼炉进行一次精炼,通电加热约 10分钟左右,促进钢水继续脱P反应,通过初炼和一次精炼控制钢包中的P≤0.008%, Ti≤0.0010%,鉴于此操作会造成此时钢渣的氧化性过强,不利于后续脱氧和脱S,所以在一次精炼完成后,将钢包移出精炼工位,对钢水扒渣将钢水的强氧化性渣(包含含Ti 及P的氧化渣)扒除,减少后续钢水回P。扒渣结束后,重新添加轴承钢冶炼用渣,转移到精炼炉进行二次精炼,二次精炼是对钢水进行脱硫、脱氧及调整合金的操作。
步骤2二次精炼:
二次精炼全过程都要采用底吹氩的方式搅拌钢水,钢水表面添加包含合成渣、石灰在内的渣料进行造渣,不允许添加萤石,渣料覆盖钢水全表面。精炼测温不得频繁,取样次数控制在2-4次,温度波动要控制在10℃以内,整个精炼过程时间≥50min;过程中对钢水加强脱氧,分多次往钢液中添加Al粒和添加SiC颗粒进行扩散脱氧,同时采用往钢水中喂Al线的方式进行沉淀脱氧,在精炼前20分钟就尽快练成白渣(白渣中FeO 含量低,说明钢水中脱氧比较充分),精炼结束后Al含量控制在0.020-0.025%之间。二次精炼结束后将钢包转移到真空脱气工位进行真空脱气处理。
步骤3真空脱气:
钢水在高真空条件下进行脱气,真空处理结束后Al含量基本控制在0.015-0.020%之间,真空脱气结束后通过向钢包喂线方式喂入硫铁线和氮锰线,将钢水中的S含量控制在设置范围内,同时通过喂N-Mn线,将Al含量与N含量达到设计范围和比例,喂线结束后将钢水表面添加覆盖剂,确保钢水不与空气接触,真空脱气结束后应软吹氩,使钢水液面轻微波动即可,保证钢水中夹杂物继续上浮,软吹氩时间不低于25min。
步骤4连铸:
采用连铸工艺将钢水浇铸成钢坯,优选控制连铸全过程隔绝钢水和空气,钢液过热度≤20℃,拉速0.50-0.80m/min,连铸过程采用结晶器电磁搅拌、铸流末端电磁搅拌、轻压下,确保钢水成分均匀;
步骤5轧制:
本发明对钢材的晶粒度要求是铁素体晶粒度≥7级,不同于对传统只对奥氏体晶粒度提出的要求,按传统中碳轴承钢进行热轧成型,最终铁素体往往不能充分析出,铁素体晶粒度会比较粗大,且常常出现混晶情况,不能满足要求,同时铁素体析出少,占比不能保证满足25-40%的组织比例,因而轧制完成后需要进行额外正火处理。
为了节省正火工序,本发明提出在线正火轧制的工艺,即通过在线准确的控温轧制来获得需要正火热处理才能得到的组织。具体内容包括:将步骤4生产的连铸坯热送到加热炉内加热,热送温度不低于600℃,根据该钢种的高温热塑性曲线分析,在600℃以上加热,该钢种塑性较好,不易产生表面缺陷。连铸坯热送入炉加热至完全奥氏体化,并对连铸坯进行长时间高温扩散,使铸坯成分均匀,高温扩散温度控制在1150℃~1200 ℃,高温扩散时间控制在≥2.5h。
铸坯出加热炉后进行多次高压水除鳞,多次除鳞的主要目的是要降低钢材的开轧温度,目的是避免其在部分再结晶温度区轧制,因钢材轧制变形后的部分区域的晶粒的再结晶现象会较为明显,而未变形的晶粒在高温下会快速长大,导致晶粒尺寸大小不一而产生混晶,而过低的开轧温度导致终轧温度偏低,低温轧制压下不能传递到钢材内部,从而影响组织晶粒的均匀性。综合考虑,本申请设计将开轧温度控制在850-880℃。
关于终轧温度的选择,适当降低终轧温度.可以提高钢的强度和韧性,这是由于随着轧制温度降低,形变奥氏体的形变储存能增大,形变亚结构增多,提高了铁素体的相变形核点,从而增强了形变细化晶粒效果。但是随着终轧温度进一步降低,钢材变形不能深透,只有部分奥氏体晶粒变形后变细,但大多数晶粒没有变形.因此导致一部分晶粒尺寸较大,一部分晶粒非常细小,混晶严重。如果钢材的终轧温度过低进入两相区时,也会由于铁素体和奥氏体的变形能力不同而产生大小不一的混晶组织。因此,钢材终轧温度控制在800-830℃,避免在两相区轧制。
步骤6控冷:
产品从轧制生产线上高温下线后上冷床,上冷床后采用大风机鼓风冷却,钢材表面冷却速度在5-10℃/s,采用鼓风冷却,比普通空冷冷却速度要快,留给钢材重新形核及晶粒长大时间短,促进晶粒细化。
步骤7退火:
控冷后的棒材进入退火炉内进行软化退火,炉内温度区间为650-550℃,钢材在炉内缓慢冷却,钢材的冷却速度控制为1.5-3.5℃/min;钢材在炉内缓冷约3小时及以上,炉内温度200℃以下时,缓冷结束,钢材可出炉空冷,由此将钢材的硬度控制在255HBW 以下。因软化退火步骤不改变钢材金相组织,因此钢材金相组织仍为均匀的铁素体与珠光体,其中铁素体占比为25-40%,其余则为珠光体组织。
优选地,整个精炼及其后续冶炼过程均采用钛含量低于0.1%的低钛精炼渣、大包覆盖剂、中包覆盖剂及连铸保护渣,防止因外部带入导致钢水中Ti含量回升,最终保证成品Ti≤0.0015%的目标。
优选地,初炼出钢时,每100t钢水添加600kg-1000kg脱P剂+100kg萤石和石灰,通过萤石调节钢渣流动性。
优选地,钢水真空脱气采用的条件:脱气的高真空度≤133pa,在所述高真空度的维持时间≥15min。
与现有技术相比,本发明的特点在于:
(1)对影响产品最终性能的关键因素如P含量,Ti含量和铁素体比例和晶粒度都采用了更为具体的设计要求,显著严格于传统轮毂轴承用钢G55,提升产品档次。
(2)针对元素设计中对P、Ti含量的要求,对钢水冶炼提出了适应性改进,不同于传统初炼出钢后只进行一次精炼的流程,本发明采用二次精炼的方式,本发明在钢水初炼时需要强吹氧和加脱P剂等,包括在出钢时也添加脱P剂+萤石等,将钢水中P和 Ti控制在较低水平,二次精炼中的一次精炼是为继续脱P反应,由于延续了脱P脱Ti,虽然可以将P和Ti降至较低含量,但确增加了精炼过程脱氧脱硫的难度和不确定性,因此,本申请在一次精炼送电加热后扒去氧化性强的钢渣,然后再重新添加合成渣,为二次精炼脱氧和脱硫创造条件。
3)为了控制组织中铁素体析出并细化铁素体的晶粒度(非奥氏体晶粒度),避免产生混晶,采用在线正火轧制工艺,节省需要额外正火,铁素体晶粒度及组织能达到正火工艺的状态。
附图说明
图1为传统热轧状态下G55钢的铁素体晶粒度显微图(×100);
图2为本发明轴承钢的典型铁素体晶粒度的显微图(×100)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详细描述,所述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明各实施例的化学成分(wt%)见表1、表2。作为突出本案的创造性,以G55 作为对比例。
表1
C Si Mn P S Cr Cu Ni Al N
实施例1 0.66 0.17 0.61 0.008 0.005 0.31 0.01 0.02 0.017 0.0078
实施例2 0.71 0.23 0.67 0.007 0.008 0.42 0.01 0.02 0.016 0.0072
实施例3 0.74 0.33 0.79 0.007 0.010 0.58 0.02 0.03 0.016 0.0067
对比钢G55 0.56 0.20 0.75 0.018 0.003 0.08 0.03 0.02 0.025 0.0020
表2
Mo Ca Ti O
实施例1 0.01 0.0002 0.0007 0.00058
实施例2 0.02 0.0002 0.0009 0.00054
实施例3 0.01 0.0001 0.0007 0.00051
对比钢G55 0.03 0.0005 0.0022 0.0008
本发明钢材纯净度高,钢材非金属夹杂物按GB/T 10561 A法检验,各实施例钢材的夹杂物数据见表3。
表3
A细夹杂 A粗夹杂 B细夹杂 B粗夹杂 C细夹杂 C粗夹杂 D细夹杂 D粗夹杂 Ds夹杂
实施例1 0~1.0 0~0.5 0~0.5 0~0.5 0 0 0~0.5 0~0.5 0~1.0
实施例2 0.5~1.0 0~0.5 0~0.5 0 0 0 0~0.5 0~0.5 0~0.5
实施例3 0~1.0 0~0.5 0~0.5 0 0 0 0~1.0 0~0.5 0~0.5
表4各实施例的末端淬透性性能对比,单位HRC
J1.5 J3
实施例1 62.5 61
实施例2 63 60.5
实施例3 63 61
对比钢G55 60 59
本发明圆棒钢材试样经正火后,各实施例的力学性能数据见表5
表5各实施例的力学性能对比
Figure BDA0003773089540000071
各实施例钢材的铁素体晶粒度、硬度及金相组织数据见下表6
表6
实施例 铁素体晶粒度(级) 硬度HBW 金相组织
实施例1 1 7.5级 231 铁素体+珠光体
实施例2 2 7.5级 223 铁素体+珠光体
实施例3 3 7.5级 230 铁素体+珠光体
对比例 G55 5级,且存在混晶 240 铁素体+珠光体
三个实施例的新能源汽车轮毂轴承用钢的制造流程为电炉或转炉—二次炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—正火连轧—退火—精整—打件入库。
具体冶炼时,三个实施例均选用优质铁水、废钢及原辅料,选用优质脱氧剂及耐火材料。炼钢各工序参数均在前述步骤的工艺参数范围内,在生产过程中,连铸过热度控制在≤20℃之内。轧制工艺为:将连铸坯热送入炉加热至完全奥氏体化,并对连铸坯进行长时间高温扩散,高温扩散温度控制在1150℃~1200℃,高温扩散时间控制在≥2.5h。铸坯出加热炉后的开轧温度为850-880℃,终轧温度为800-830℃,而后轧制成规格50-90的圆钢棒材,终轧完成后在冷床上采用大风机鼓风冷却。轧制完成后,各实施例的退火工艺为:将从缓冷坑出坑的棒材进入退火炉内进行软化退火,炉内温度区间为650-550℃,钢材的冷却速度控制为1.5-3.5℃/min;缓冷结束后出炉空冷,由此将钢材的硬度控制在255HBW以下。
根据图1、图2以及表1-表6数据的对比可以看出,与传统轮毂轴承用钢G55相比,本发明三个实施例在成分设计方面主要元素C和Cr的含量有所不同,另外对有害元素 P和Ti的控制更严,同时铁素体晶粒度更细小,从而表现出材料的力学性能要更好,能够显著延长轮毂轴承的疲劳寿命。
除上述实施例外,本发明还包括有其他实施方式,凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案,均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新能源汽车轮毂轴承用钢,其特征在于:显微组织为均匀的铁素体+珠光体组织,其中铁素体占比为25-40%,其余为珠光体组织,铁素体晶粒度≥7级。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车轮毂轴承用钢,其特征在于:圆钢试样经830℃正火后,抗拉强度≥850MPa,屈服强度≥500MPa,断后伸长率≥12%,断面收缩率≥40%,钢材硬度≤255HBW,末端淬透性J1.5≥62HRC,J3≥60HRC。
3.根据权利要求1所述的新能源汽车轮毂轴承用钢,其特征在于:钢材非金属夹杂物按GB/T 10561A法检验,脆性不可变形夹杂物B细≤1.5级,B粗≤1.0级,D细≤1.0级,D粗≤0.5级,Ds≤1.0级。
4.根据权利要求1所述的新能源汽车轮毂轴承用钢,其特征在于:元素质量百分含量:C:0.65~0.75%,Si:0.15~0.35%,Mn:0.60~0.80%,Cr:0.30~0.60%,P:≤0.010%,S:0.005~0.010%,Al:0.010~0.050%,N:0.005~0.010%,Al/N:1.5~3.5,Cu:≤0.10%,Ni:≤0.05%,Mo:≤0.10%,Ti:≤0.0015%,Ca:≤0.0010%,O≤0.0006%,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
5.一种生产权利要求4所述新能源汽车轮毂轴承用钢的方法,其特征在于:包括
步骤一、初炼和首次精炼:初炼采用吹氧助熔,将P和Ti控制在很低的含量,出钢终点碳控制在0.05~0.15%,在出钢时添加主要成分是石灰CaO系的脱P剂和萤石继续脱P,而后将钢包转移到精炼炉,通电加热10±2分钟以上,促进钢水继续脱P反应,使钢包中的P≤0.008%,Ti≤0.0010%;此时钢渣的氧化性过强,不利于脱氧和脱S,所以将钢包移出精炼工位,对钢水扒渣将钢水的强氧化性渣扒除,扒渣结束后,换上新渣,再次重新转移到精炼炉进行二次精炼;
步骤二、二次精炼:全过程采用底吹氩的方式搅拌钢水,钢水表面的造渣成分不允许添加萤石,渣料覆盖钢水全表面,精炼取样次数控制在2-4次,温度波动控制在10℃以内,整个精炼过程≥50min;过程中对钢水分次脱氧,分多次往钢液中添加Al粒和SiC颗粒进行扩散脱氧,同时采用往钢水中喂Al线的方式进行沉淀脱氧,在精炼前20分钟内练成白渣,精炼结束后Al含量要控制在0.020-0.025%之间;
步骤三、真空脱气:二次精炼结束后将钢包转移到真空脱气工位进行真空脱气处理,钢水在高真空条件下进行脱气,真空处理结束后Al含量控制在0.015-0.020%之间,真空脱气结束后通过喂线方式喂入硫铁线和氮锰线,将钢水中的S含量控制在设置范围内,同时通过喂N-Mn线,将Al含量与N含量达到设计范围和比例,真空脱气结束后软吹氩,吹氩满足钢水液面轻微波动即可,软吹氩时间不低于25min;
步骤四、连铸:采用连铸工艺将钢水浇铸成钢坯;
步骤五、轧制:将连铸坯热送到加热炉内加热,热送温度不低于600℃,连铸坯热送入炉加热至完全奥氏体化,高温扩散温度:1150℃~1200℃,高温扩散时间≥2.5h,铸坯出炉后进行多次高压水除鳞,降低开轧温度,控制开轧温度在850-880℃终轧温度控制在800-830℃,避免在两相区轧制;
步骤六、控冷:高温下线后上冷床,采用鼓风冷却,控制钢材表面冷却速度在5-10℃/s;
步骤七、退火:控冷后的棒材进入退火炉软化退火,炉内温度为650-550℃,钢材在炉内的冷却速度控制为1.5-3.5℃/min,钢材在炉内缓冷3小时及以上,炉内温度下降至200℃以下时,缓冷结束,钢材可出炉空冷,由此将钢材的硬度控制在255HBW以下,软化退火不改变金相组织。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤二至四,整个精炼以及后续冶炼过程均采用钛含量低于0.1%的低钛精炼渣、大包覆盖剂、中包覆盖剂及连铸保护渣,防止因外部带入导致钢水中Ti含量回升,最终保证成品Ti≤0.0015%的目标。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤三,真空脱气的高真空度≤133pa,在所述高真空度状态下的维持时间≥15min。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤四,连铸全过程隔绝钢水和空气,钢液过热度≤20℃,连铸拉速0.50-0.80m/min,连铸过程采用结晶器电磁搅拌、铸流末端电磁搅拌、轻压下。
9.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤一,初炼出钢时,每100t钢水添加600kg-1000kg脱P剂+100kg萤石和石灰,通过萤石调节钢渣流动性。
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