CN1636654B - 硬质合金工具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硬质合金工具，它包括在Co和/或Ni的粘接相中的硬质组分，并且包括至少一个表面部分和一内部部分，其中表面部分的晶粒尺寸小于在内部部分中的晶粒尺寸。具有细小晶粒尺寸的表面部分其粘接相含量低于内部部分。

Description

硬质合金工具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种利用烧结技术制成的硬质合金工具，以用于金属切削或金属成型。更具体地说，本发明涉及这样一种利用烧结技术制成的硬质合金工具，在该工具中形成两个不同的具有互补性能的微观结构区域。
背景技术
在硬质合金中，晶粒尺寸以及粘接相(例如，钴)含量都对该复合材料的性能有影响。例如，碳化钨的晶粒尺寸越小或越细，则材料越耐磨。钴含量增大通常导致韧性增大。
通过在初始粉末混合物中掺入晶粒细化剂来生产具有细小晶粒尺寸的硬质合金。这种硬质合金在其整个微观结构上具有细小的晶粒尺寸。通过不掺入任何晶粒细化剂进行烧结来生产出具有粗大晶粒尺寸的硬质合金，因为硬质合金例如WC-Co复合材料在烧结期间容易使WC晶粒粗大。这种硬质合金在其整个微观结构上具有粗大的晶粒尺寸。可以理解的是，这些硬质体整体具有均匀的微观结构。
硬质合金产品广泛地使用在金属加工工具及像钢、铜合金、合成材料等材料的不同的冷成型加工中。后一类型的工具的例子如拉丝模，它是一个通常安装到钢或金属保持器内的硬质合金尖端。这样的工具应该有一个硬的和耐磨的表面区域，其也应该有下面的附加性质：优良的热传导性；低的摩擦系数，即，它可以自润滑或协助冷却液润滑；优良的耐腐蚀性；抗微裂化性；和高的韧性。
具有至少两种不同的微观结构区域的硬质合金体在本领域是公知的。例如，在EP-A-951576中披露了具有强韧硬质合金品质的芯部和具有更耐磨品质的覆盖层的钻头。
EP-A-194018涉及一种拉丝模，它由具有粗大晶粒的碳化钨颗粒的中央层和具有晶粒更细的碳化钨颗粒的外周层制成。最初这些层具有相同的钴含量。在烧结之后，在中央部分中的晶粒粗大层其钴含量降低。
EP-A-257869披露了一种由耐磨顶部和强韧芯部制成的凿岩钻块。顶部由具有低Co含量和细小WC晶粒尺寸的粉末制成，并且芯部由具有高Co含量和粗大WC晶粒的粉末制成。没有披露在烧结之后在两个部分中的Co含量。但是，同样的在该情况中，在晶粒粗大部分中的Co含量将由于在晶粒细小层中的Co含量而降低。在US 4,359,335中公开了类似的内容。
在US 4,843,039中披露了一种可选方案，该文献披露了优选用于进行金属机加工的切削刀具的刀片的硬质合金体。这些主体包括一硬质合金芯部，它包含由不具有η相(eta-phase)的硬质合金表面区域包围的具有η相的硬质合金芯部，而且其在表面中的钴含量较低并且在靠近η相区域的位置处的钴含量较高。US 4,743,515是类似的，但是它涉及岩石钻孔和矿物切割。
US 5,623,723披露了一种制造具有耐磨表面区域的硬质合金体的方法。该方法包括以下步骤：提供一硬质合金压坯；将晶粒细化剂粉末放在该压坯的暴露表面的至少一部分上；并且对该压坯和晶粒细化剂粉末进行热处理以便使晶粒细化剂朝着压坯的中央部分扩散，由此形成从其中放有晶粒细化剂的暴露表面向内的表面区域并且形成一内部区域。因此，获得这样一种硬质合金体，它具有其晶粒尺寸更小但是其Co含量高于该主体内部Co含量的表面区域。这意味着由于WC晶粒尺寸更小而获得的耐磨性增加将由于Co含量增大而在一定程度上丧失。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种具有其粘接相含量较低并且WC晶粒尺寸细小因此耐磨性较高的表面区域的硬质合金工具及其制造方法。
为此，本发明提供一种用于金属切削或金属成型的硬质合金工具，包含在Co和/或Ni的粘接相中的硬质组分，并且包括一个内部部分和至少一个表面部分，其中表面部分的晶粒尺寸小于内部部分中的晶粒尺寸，其特征在于，具有细小晶粒尺寸的表面部分其粘接相含量低于内部部分，并且所述表面部分的铬含量比所述内部部分的高。
本发明还提供一种制造具有耐磨表面区域的如权利要求1-20中任一项所述的硬质合金工具的方法，该方法包括以下步骤：提供一种由单一粉末制成的硬质合金压坯；将含有碳和/或氮的晶粒细化剂粉末放置在压实坯料的暴露表面的至少一部分上；烧结该压实坯料和晶粒细化剂粉末以便使晶粒细化剂向硬质合金工具中央扩散，由此从其上放置有晶粒细化剂的暴露表面向内形成一个表面区域，并且形成一个内部区域；其特征在于，所述烧结进行这样长的时间，从而可获得致密体，与内部部分相比，该致密体表面部分的晶粒尺寸较小、钴含量较低。
现在令人惊讶地发现，从碳化钨和粘接相的单个混合物中可以获得具有与内部相比其晶粒尺寸更小并且钴含量更低的表面部分的硬质合金体。
附图说明
图1示出在根据本发明的刀片中硬度(HV3)和钴含量与离刀刃的距离的关系。
图2示出在根据本发明的刀片中铬含量与离刀刃的距离的关系。
图3是示出在根据本发明的刀片中在距离刀刃(FEG-SEM，20000X，BSE型号)100μm的位置处的微观结构的显微图。
图4是示出在根据本发明的刀片中在距离刀刃(FEG-SEM，20000X，BSE型号)3mm的位置处的微观结构的显微图。
图5示出在本发明的另一实施例中，钴含量与距前Cr3C2覆盖表面的距离的关系，以及铬含量与距前Cr3C2覆盖表面的距离的关系。
图6是示出距放置Cr3C2粉末的表面的距离为100μm的微观结构的显微图(FEG-SEM，15000X，BSE型号)。
图7是示出距放置Cr3C2粉末的表面的距离为3mm的微观结构的显微图(FEG-SEM，15000X，BSE型号)。
具体实施方式
根据本发明，提供了一种用于金属切削和金属成型的硬质合金工具，它包含在Co和/或Ni的粘接相中的硬质组分，并且包括至少一个0-2000μm厚、优选为5-1200μm厚、更优选为10-800μm厚、最优选为10-300μm厚的表面部分和一内部部分，其中表面部分的晶粒尺寸小于在内部部分中的晶粒尺寸，并且粘接相含量低于在内部部分中的粘接相含量，并且Cr含量高于在内部部分中的Cr含量。更具体地说，表面部分的粘接相含量小于内部部分的粘接剂含量的1倍、优选＜0.92倍、更优选＜0.85倍，并且表面部分的WC晶粒尺寸小于内部部分中的WC晶粒尺寸的1倍、优选＜0.9倍、更优选＜0.8倍。优选的是，表面部分含有Cr，从而在表面部分中的参数A＝((wt％Cr/wt％粘接相)+0.01)和在Cr含量最低的那部分主体处取的参数B＝((wt％Cr/wt％粘接相)+0.01)之间的比值A/B＞1.5，优选A/B＞3.0。
在第一实施方案中，表面部分的WC晶粒尺寸为亚微细粒。
在第二实施方案中，内部部分的WC晶粒尺寸为1-3μm。
在第三实施方案中，硬质合金的组分为其粘接相含量＞1.5wt％的WC+Co，优选的＞5wt％，但＜25wt％、优选＜15wt％。
在第四实施方案中，该硬质合金另外包含0-30、优选0.2-16、最优选为0.4-9vol％的γ相。
在第五实施例中硬质合金工具是一个用于金属加工的切削刀具的刀片，本发明能用于其它硬质合金切削刀具，例如端铣刀和钻，这对于本领域的技术人员是显而易见的。
在第六实施例中硬质合金工具是一个冷成型工具。在成型的应用中使用硬质合金的其它例子来自这些不同的领域，如成型饮料罐、螺栓、钉子和其它应用，这些对于本领域的技术人员是公知的。
所有这些实施例可包含晶粒细化剂，例如碳化钒(VC)和碳化铬(Cr3C2)。
这些硬质合金工具还可以具有公知技术的耐磨涂层，优选1-40μm厚，更优选1-15μm厚。
本发明也涉及制造用于金属切削或金属成型的硬质合金体的方法，硬质合金体例如是具有耐磨表面区域的用于碎屑成形加工的切削刀具的刀片或冷成型工具，该方法包括下面的步骤：
-提供由单一的粉末制成的硬质合金压坯，单一的粉末包括形成硬质组分的粉末，可有晶粒细化剂，例如碳化钒(VC)和碳化铬(Cr3C2)，和钴和/或镍的粘结相；
-通过浸渍、喷、涂、施加薄带或以任意其它方式将晶粒细化剂粉末放在压坯的暴露表面的至少一个部分上；该晶粒细化剂优选为任意铬碳化物(Cr3C2、Cr23C6和Cr7C3或其混合物)或铬和碳的混合物或其它包含有铬和碳和/或氮的化合物；
-烧结该压坯和晶粒细化剂粉末以便使晶粒细化剂扩散离开晶粒细化剂施加表面，由此形成具有与内部部分相比钴含量较低、铬含量较高和WC晶粒尺寸较小的一梯度区域；
-在烧结的最终阶段期间可以施加均衡气压以获得一致密体；
-可以采用磨削或任意其它机械方法来减小表面部分的厚度；
-可以采用磨削或任意其它机械方法从表面中除去不需要的碳化物和石墨；
-可以如本领域所公知的一样涂覆一耐磨涂层；
-在工具是切削刀片的情况可实施如公知技术的刀刃处理。
应该处于对来自所施加的碳化铬的碳贡献的考虑来确定该硬质合金压坯的碳含量。在含有γ相的硬质合金的情况中，必须补偿在γ相中的铬溶解度。也可以使用会导致含有η相的微观结构的压坯。应该以最优的时间进行烧结以获得所期望的结构和具有紧密孔隙率、优选为致密体的主体。该时间取决于WC的晶粒尺寸和硬质合金的组分，并且因此不进一步限定。在本领域普通技术人员的能力范围内可以确定是否已经获得所需结构并且根据当前规格来改变烧结条件。如果必要，可以在与烧结温度相比更低的HIP温度下并且在1-100Mpa的压力下对该主体进行后HIP处理。
或者，可以将晶粒细化剂粉末放在一烧结体上，随后在比烧结温度更高的温度下对该烧结体进行热处理以获所期望的结构。
例1
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有90wt％WC和10wt％Co的组分的粉末压制出压坯。使WC原料的晶粒细化至其平均晶粒尺寸为0.25μm(FSSS)。用含有Cr3C2的薄层(0.02gCr3C2/cm2)覆盖前刀面。之后，在1370℃下将这些压坯烧结30分钟，之后通过磨削除去外面1mm深的部分。观察经烧结磨削的坯料的横截面。图1显示出硬度和钴含量与离刀刃的距离之间的关系的曲线图。钴含量在刀刃附近最低，并且随着距离增大而增加，同时硬度在刀刃附近最高并且随着距离增大而降低。图2显示出铬含量与离刀刃的距离之间的关系的曲线图。铬含量在刀刃附近最高，并且随着距离增大而降低。使用EPMA(电子探针显微分析仪)测量出钴含量和铬含量。图3为一显微照片，显示出在距离刀刃(FEG-SEM，20000X，BSE型号)100μm处的微观结构。图4为一显微照片，显示出在距离刀刃(FEG-SEM，20000X，BSE型号)3mm处的微观结构。离刀刃100μm和离刀刃3mm处的WC晶粒尺寸测量出分别为0.28μm和0.36μm(线性截取值的算术平均值)。
例2
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有94wt％WC和6wt％Co的组分的粉末压制出压坯。使WC原料的晶粒细化至其平均晶粒尺寸为0.25μm(FSSS)。用0.007gCr3C2/cm2覆盖前刀面。
在1350℃下将具有Cr3C2层的压坯烧结30分钟，并且在1300℃和6MPa下进行后HIP处理30分钟。观察烧结坯料的横截面。在该表面上没有观察到任何Cr3C2。下表显示出该实施例的HV3、钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸。
离刀刃100μm处的HV3                        1720
离刀刃3mm处的HV3                           1520
离刀刃100μm处的钴含量，wt％               4.0
离刀刃3mm处的钴含量，wt％                  6.5
离刀刃100μm处的铬含量，wt％               0.7
离刀刃3mm处的铬含量，wt％                  ＜0.05
离刀刃100μm处的WC晶粒尺寸，μm            0.7
离刀刃3mm处的WC晶粒尺寸，μm               0.9
例3
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有90wt％WC和10wt％Co的组分的粉末压制出压坯。用含有Cr3C2的薄层(0.01gCr3C2/cm2)覆盖前刀面。之后，在1370℃下将这些压坯烧结30分钟。观察经烧结坯料的横截面。在该表面上没有观察到任何Cr3C2。下表显示出该实施例的HV3、钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸。
离刀刃100μm处的HV3                    1450
离刀刃3mm处的HV3                       1280
离刀刃100μm处的钴含量，wt％           7.5
离刀刃3mm处的钴含量，wt％              11
离刀刃100μm处的铬含量，wt％           0.4
离刀刃3mm处的铬含量，wt％              ＜0.05
离刀刃100μm处的WC晶粒尺寸，μm        1.1
离刀刃3mm处的WC晶粒尺寸，μm           1.4
例4
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有90wt％WC和10wt％Co的组分的粉末压制出压坯。使WC原料的晶粒细化至其平均晶粒尺寸为0.25μm(FSSS)。用含有Cr3C2的薄层(0.018gCr3C2/cm2)覆盖前刀面。之后，在1410℃下将这些压坯烧结60分钟。观察经烧结坯料的横截面。在该表面上没有观察到任何Cr3C2。下表显示出该实施例的HV3、钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸。
离刀刃100μm处的HV3                    1750
离刀刃4mm处的HV3                       1480
离刀刃100μm处的钴含量，wt％           9.0
离刀刃4mm处的钴含量，wt％              10.5
离刀刃100μm处的铬含量，wt％           0.5
离刀刃4mm处的铬含量，wt％              0.1
离刀刃100μm处的WC晶粒尺寸，μm        0.32
离刀刃4mm处的WC晶粒尺寸，μm         0.58
例5
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有94wt％WC和6wt％Co的组分的粉末压制出压坯。该WC原料为亚微细粒。在1370℃下对该压坯进行烧结。将烧结坯料磨削成型号SNKN1204EN并且用含Cr3C2的薄带(0.01g/cm2)覆盖在间隙面上，并且在1390℃的烧结温度下重新烧结15分钟。观察烧结坯料的横截面。在该表面上没有观察到任何Cr3C2。下表显示出该实施例的HV3、钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸。
离刀刃100μm处的HV3                    1820
离刀刃3mm处的HV3                       1700
离刀刃100μm处的钴含量，wt％           5.0
离刀刃3mm处的钴含量，wt％              6.5
离刀刃100μm处的铬含量，wt％           0.22
离刀刃3mm处的铬含量，wt％              ＜0.05
离刀刃100μm处的WC晶粒尺寸，μm        0.4
离刀刃3mm处的WC晶粒尺寸，μm           0.6
例6
根据以下步骤制备出型号为B-SNGN120408的硬质合金压坯：用具有77wt％WC、6wt％TaC、2wt％NbC、4wt％TiC和11wt％Co的组分的粉末压制出压坯。用含Cr3C2的薄带(0.02g/cm2)覆盖这些压坯，并且在1370℃的烧结温度下烧结30分钟，之后在1200℃和100MPa下进行HIP处理60分钟。观察烧结坯料的横截面。通过下面的HV3值证实，钴含量和WC晶粒尺寸在刀刃附近比内部明显更低。
离刀刃100μm处的HV3                    1470
离刀刃3mm处的HV3                       1300
例7
根据下述生产刀片：
组分：91.6wt％WC+0.23wt％TaC+0.16wt％NbC+8.0wt％Co
型号：CNMG120408-QM
烧结温度：1370℃
赋予这些刀片圆化的刀刃，之后分成两个变型。根据本发明采用涂覆技术在变型A的前刀面上覆盖Cr3C2(0.01g/cm2)。变型B没有覆盖Cr3C2。
对于制造过程的其余过程，按照相同的方式将这两个变型一起处置，包括在1390℃下重新烧结15分钟、喷丸、清洗和涂覆4μm厚的TiAlNPVD层。观察每个变型的横截面。在变型A上的TiAlN层和和硬质合金材料之间没有观察到任何Cr3C2。下表显示出该实施方案的钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸：
变型A    变型B
离刀刃100μm处的钴含量，wt％      7.0      8.0
离刀刃3mm处的钴含量，wt％         8.5      8.0
离刀刃100μm处的铬含量，wt％      0.2      ＜0.05
离刀刃3mm处的铬含量，wt％         ＜0.05   ＜0.05
离刀刃100μm处的WC晶粒尺寸，μm   0.55     0.7
离刀刃3mm处的WC晶粒尺寸，μm      0.7      0.7
在专门设计的端面车削操作中测试这些刀片以便根据下述方面比较耐塑性变形性：
工件：Inconel 718
切削深度：1毫米
进刀量：0.25毫米/转
切削速度：80-140米/分钟
结果(塑性变形保持在0.25毫米以下的最大切削速度)：
变型A：120米/分钟
变型B：100米/分钟
这些结果表明对根据本发明变型A的处理给出了最好的耐塑性变形性。例8
根据以下步骤制备出硬质合金压坯：用具有96.7wt％WC和3.3wt％Co组分的粉末和0.2％的VC压制出圆柱形压坯。使WC原料的晶粒细化至其平均晶粒尺寸为0.8μm(FSSS)。用含有Cr3C2的薄层(0.02gCr3C2/cm2)覆盖一表面。之后，在1370℃下将这些压坯烧结30分钟。观察经烧结磨削的坯料的横截面。使用EPMA(电子探针显微分析仪)测量出钴含量和铬含量。图5显示出钴含量与距前Cr3C2覆盖表面的距离的关系。接近该表面钴含量最低且随距离的增加而增加，表明了在表面和体块之间形成富钴区的倾向。图5还显示出铬含量与距前Cr3C2覆盖表面的距离的关系。接近于表面铬含量最高，且随距离而减少。图6为一显微照片，显示出在距放置Cr3C2粉末的表面(FEG-SEM，15000X，BSE型号)100μm处的微观结构。图7为一显微照片，显示出在距放置Cr3C2粉末的表面(FEG-SEM，15000X，BSE型号)3mm处的微观结构。下面的值表示钴含量、铬含量和WC晶粒尺寸。WC晶粒尺寸按照截取值的算术平均测量。
距表面100μm的钴含量，wt％        2.6
距表面3mm的钴含量，wt％           3.3
距表面100μm的铬含量，wt％        0.6
距表面3mm的铬含量，wt％           ＜0.05
距表面100μm的WC晶粒尺寸，μm     0.35
距表面3mm的WC晶粒尺寸，μm        0.44

Claims (23)

1.一种用于金属切削或金属成型的硬质合金工具，包含在Co和/或Ni的粘接相中的碳化钨硬质组分，并且包括一个内部部分和至少一个表面部分，其中表面部分的晶粒尺寸小于内部部分中的晶粒尺寸，其特征在于，具有细小晶粒尺寸的表面部分其粘接相含量低于内部部分，Co含量在表面部分的最外表面附近最低，并且随着离最外表面的距离增大而增加，并且所述表面部分的铬含量比所述内部部分的高。
2.如权利要求1所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的粘接相含量小于内部部分的粘接相含量的1倍。
3.如权利要求1-2中任一项所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的WC晶粒尺寸小于内部部分中的WC晶粒尺寸的1倍。
4.如权利要求1-2中任一项所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分含有Cr，从而在表面部分中的参数A＝((wt％Cr/wt％粘接相)+0.01)和在Cr含量最低的那部分主体处取的参数B＝((wt％Cr/wt％粘接相)+0.01)之间的比值A/B＞1.5。
5.如权利要求1-2中任一项所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分其厚度为0-2000μm。
6.如权利要求3所述的硬质合金工具，其特征在于，粘结相为Co，且所述硬质合金的组分为其粘接相含量＞1.5wt％、但＜25wt％的WC+Co。
7.如权利要求3所述的硬质合金工具，其特征在于，粘结相为Co，且所述硬质合金的组分为其粘接相含量＞1.5wt％、但＜25wt％，并且其γ相含量为0-30vol％的WC+Co。 
8.如权利要求1至2中任一权利要求所述的硬质合金工具，其特征在于，所述硬质合金工具是切削刀具的刀片。
9.如权利要求1至2中任一项所述的硬质合金工具，其特征在于，所述硬质合金工具是冷成型工具。
10.如权利要求1-2中任一权利要求所述的硬质合金工具，其特征在于，该硬质合金工具包括本领域公知的耐磨涂层。
11.如权利要求2所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的粘接相含量小于内部部分的粘接相含量的0.92倍。
12.如权利要求2所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的粘接相含量小于内部部分的粘接相含量的0.85倍。
13.如权利要求3所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的WC晶粒尺寸小于内部部分中的WC晶粒尺寸的0.9倍。
14.如权利要求3所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分的WC晶粒尺寸小于内部部分中的WC晶粒尺寸的0.8倍。
15.如权利要求4所述的硬质合金工具，其特征在于，A/B＞3.0。
16.如权利要求5所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分其厚度为5-1200μm。
17.如权利要求5所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分其厚度为10-800μm。 
18.如权利要求5所述的硬质合金工具，其特征在于，所述表面部分其厚度为10-300μm。
19.如权利要求6所述的硬质合金工具，其特征在于，所述硬质合金的组分为其粘接相含量＞5wt％、但＜15wt％的WC+Co。
20.如权利要求7所述的硬质合金工具，其特征在于，所述硬质合金的组分为其粘接相含量＞5wt％、但＜15wt％，并且其γ相含量为0.2-16vol％的WC+Co。
21.一种制造具有耐磨表面区域的如权利要求1-20中任一项所述的硬质合金工具的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种由单一粉末制成的硬质合金压坯；
将晶粒细化剂粉末放置在压坯的暴露表面的至少一部分上，晶粒细化剂为任意铬碳化物，或为铬和碳的混合物，或为其它包含有铬和碳和/或氮的化合物；
烧结该压坯和晶粒细化剂粉末以便使晶粒细化剂向硬质合金工具中央扩散，由此从其上放置有晶粒细化剂的暴露表面向内形成一个表面区域，并且形成一个内部区域；
其特征在于，所述烧结进行这样长的时间，从而可获得致密体，与内部部分相比，该致密体表面部分的晶粒尺寸较小、钴含量较低，且Co含量在表面部分的最外表面附近最低，并且随着离最外表面的距离增大而增加。
22.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
预烧结该压坯并且将它磨削成所期望的形状和尺寸；
在烧结的最终阶段期间施加均衡气压以获得致密体；
在低于烧结温度的温度下并且在1-100MPa的气压下进行后HIP处理； 
磨削成最终形状；以及
涂覆耐磨涂层。
23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于，晶粒细化剂粉末包含Cr。 
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