DE2537112A1

DE2537112A1 - Verfahren zum herstellen einer schweisselektrode zum hartauftragsschweissen

Info

Publication number: DE2537112A1
Application number: DE19752537112
Authority: DE
Inventors: Lars Torsten Ericson; Lars Goesta Ljungstroem; Gustaf Henrik Widmark
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1975-08-20
Publication date: 1976-03-18
Also published as: IT1044663B; FR2282968A1; DE2537112C3; ES440568A1; DE2537112B2; SE7410979L; SE400202B; GB1515534A; US3972108A; JPS5150249A; FR2282968B1

Description

DIPL-ING. KLAUS BEHN 25371 Ί

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 22 Wl D E N M A Y E R STR AS Ξ Ε 6 TEL (089) 22 25 30 - 29 51 92

<2ß. August 1975 A 140 75 Be./De

Firma SANDVIK AB, Pack, S-8]l 01 Sandviken ], Schweden

Verfahren zum Herstellen einer Schweißelektrode zum Hartauftragsschweißen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schweißelektroden oder dergleichen* Produkte für die Verwendung beim Hartauftragsschweißen, d.h. Aufbringen von harten Oberflächenschichten auf verschiedene Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren wird angewendet auf ein Hartauftragsschweißmaterial, das normalerweise sowohl im kalten als auch im warmem Zustand vollständig unbearbeitbar ist. Erfindungsgemäß wird aber dem Material eine gute Verformbarkeit gegeben, so daß es in Form eines Drahtes oder dergleichen für die automatische Schweissung verwendet oder verarbeitet werden kann, d.h., so daß es als fortlaufende Elektrode ohne Schwierigkeiten verwendet werden kann.

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Sankt--Xus Me-ck ^: -~κ * -o._t München, Nr. 25464 I Bankhaus H. Aufhäuser. München, Nr. 2613ΟΟ Postscheck: München 20904-80O

Telegrammadresse: Patentsenio"

Es ist bereits bekannt, daß die Lebensdauer von Teilen oder Oberflächen, die Schlagbeanspruchungen, Verschleiß, Korrosion usw. ausgesetzt sind , durch eine Oberflächenbeschichtung oder Hartauftragsschweißung erhöht werden kann. Praktisch alle Stähle können durch Lichtbogenschweißung mit einer harten Schicht versehen werden. Um maximale Ergebnisse zu erhalten, sollte aber das Substrat niedrig legiert und für das Schweißen geeignet sein.

Unter den Hartauftragsmaterialien, die besonders widerstandsfähig gegen Verschleiß und Schlagbeanspruchungen sind, befinden sich die Legierungen, in denen eine harte Karbidphase ausgeschieden ist oder sehr fein in einer weicheren Metallmatrix verteilt ist. Materialien, in denen die harte Phase im wesentlichen aus Wolframkarbiden und Chromkarbiden besteht und bei denen die Matrix hauptsächlich aus Kobalt besteht, sind von besonderer Wichtigkeit. Die vorliegende Erfindung betrifft die erwähnte Materialart, und zwar insbesondere eine harte Legierung, die - in Gew.-$-en - folgende Zusammensetzung hat: 0,05 bis 5»0% C, 5 bis 35$ Cr, 0,5 bis 20$ W und Rest Co neben normalerweise vorhandenen Verunreinigungen. Die erwähnte harte Legierung betrifft somit ein Material der "Stell!t"-Art mit einer Zusammensetzung von insbesondere 0,5 bis 3,0$ C, 25 bis 35$ und vorzugsweise

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27 bis 31$ Cr, 1 bis 15$ und vorzugsweise 3 bis 13$ W und Rest Co, was 54 bis 69$ Co bedeutet (alle Komponenten sind in Gewichtsprozent berechnet). Als Beispiele können die "Haynes Stellite" 1,6 bzw. 12 genannt werden, die aus sogenannten 23-Karbiden aus C-Cr-Co-W in einer Matrix aus Co bestehen und die folgende Nenn-Zusammensetzung haben (Gew. -fo):

	Stellit 1"	2	C	Cr	W	Co	5
"Haynes	6	1	,5	30	12	55,
!I	12	1	,0	28	4	67	75
ti		,25	29	8	61,

Da die genannte Legierung sowohl in warmem Zustand als auch in kaltem Zustand vollständig unbearbeitbar ist, sind Elektroden zur Hartauftragsschweißung bisher in geeigneten Dimensionen gegossen worden, und zwar normalerweise in Längen von etwa 0,35 Metern und Durchmessern von etwa 3 bis 6mm. Auch größere Längen - 1,8 bis 2,4m - sind hergestellt worden, wobei aber alle diese gegossenen Elektroden in kaltem Zustand nicht verformbar sind. Dies bedeutet eine gewisse Schwierigkeit bei der Herstellung, jedoch besteht der größte Nachteil darin, daß das Material nicht für die automatische Hartauftragsschweißung verwendet werden kann, welches eine kontinuierliche und verformbare Elektrode

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erfordert. Im Betrieb werden oft sehr hohe Anforderungen an die Flexibilität oder Verformbarkeit der Elektrode gestellt, d.h. sie muß in viele Windungen aufgewickelt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet eine Lösung der genannten Schwierigkeiten und führt zu einer Schweißelektrode mit zufriedenstellender Verformbarkeit, die für die Anwendung beim automatischen· Hartauftragsschweißen geeignet ist. Das bedeutet, daß die gleiche Materialart in der harten Schicht nach dem Schweißvorgang enthalten ist, wie es der Fall sein würde, wenn die Legierung auf normalem Wege durch Schmelzen und Gießen hergestellt worden wäre. Somit werden die gewünschte Struktur und die anderen Vorteile und vorteilhaften Eigenschaften der Legierung nicht geändert oder beeinträchtigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft eine Kombination von Verfahrensschritten im Bereich der Schmelzmetallugie, der Pulvermetallurgie und Bearbeitung, wobei die Schritte an sich bekannt sind und auch in ähnlichen Verbindungen angewendet worden sind. Im vorliegenden Falle sind aber die genannten Bedingungen besonders angepaßt oder ausgesucht in Bezug auf das verwendete Material und auf das Anwendungsgebiet.

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Als Beispiel einer bekannten Technik kann die Herstellung von Schweißelektroden allein aus Pulver durch Pressen und Sintern und anschließendes Bearbeiten auf die endgültige Dimension genannt werden. Ein solches Verfahren könnte im folgenden Falle aber nicht allgemein angewendet werden, weil eine vollständige Sinterung der Legierung zu einer unzureichenden Verformbarkeit für eine folgende Verformung führen würde. Außerdem würde das Endprodukt aus dem gleichen Grunde eine unzufriedenstellende Verformbarkeit aufweisen.

Als weiteres Beispiel der bekannten Technik können Schweißelektroden erwähnt werden, die aus einer rohrförmigen äußeren Metallschicht und einem inneren Kern aus Metallpulver bestehen. Wenn solche Elektroden für die Hartauftragsschweißung verwendet werden, besteht der Kern oft aus harten Karbidkörnern oder aus Hartmetall, d.h. aus harten Elementen und Bindermetall, die gesintert und zerkleinert worden sind. Auch diese Elektrodenart würde im vorliegenden Pail weniger geeignet sein. Bei der Bearbeitung, Schweißung usw. von "Stellit"-Material oder dergleichen muß der Kern der Elektrode homogen und verhältnismäßig frei von Poren sein. Sonst können Schwierigkeiten während des Schweissens aufgrund innerer Oxydation, ungleichförmiger Temperaturverteilung oder anderen Gründen nicht verhindert werden.

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Schließlich kann erwähnt werden, daß Verfahren zur Herstellung von "Stellit"-Legierungen durch Pulvermetallurgie an sich bekannt sind. Bei diesen Verfahren sind VorlJ^egierungen verwendet worden, die auf Kobalt und Chrom der im wesentlichen Z - Phasenart basieren, das zerkleinert und mit gewünschten Legierungs- oder Basiselementen gemischt worden ist. Dann sind die Pulvermischungen gepreßt oder verdichtet und schließlich bei hoher Temperatur, gewöhnlich oberhalb 1200⁰C zu dem Endprodukt gesintert worden. Das beschriebene Verfahren führt aber nicht zu einem Gegenstand, der für Elektroden beim automatischen Schweißen geeignet wäre oder der vorzugsweise zu einem solchen Produkt weiterverarbeitet werden könnte. Die abschließende Sinterung bei hoher Temperatur führt zu einem Material, das gewiß bessere Verformbarkeit als normales, gegossenes "Stellit" aufweist, jedoch ist es trotzdem zu hart oder zu unbearbeitbar, als dass es zu einem endlosen Schweißdraht verarbeitet werden könnte.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß alle harten Bestandteile oder Elemente, die solche harten Bestandteile bilden, in einer oder mehreren brüchigen, leicht zerkleinerten Phasen - Legierungen oder Verbindungen - isoliert werden. Diese werden durch Schmelzen oder Gießen vorbereitet, worauf das erhaltene Produkt in Pulver fein zerteilt wird.

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Die weichere metallische Matrix besteht im wesentlichen aus Co oder einer Co-Legierung (z.B. ist Co legiert mit 1,5 bis J>,5% Ti, um die Verformbarkeit beim Kaltwalzen oder Kaltmahlen zu erhöhen). Die weichere Metallmatrix wird dann mit den harten Substanzen gemischt. Es ist oft vorteilhaft, so große Mengen wie möglich an freiem Matrixmaterialbinder in der Pulvermischung zu haben, um eine maximale Bearbeitbarkeit und Verformbarkeit zu erhalten. (Eine gewisse Menge dieses Metallbinders wie Co» ist oft ein Teil der leicht zerkleinerten Phasen harter Bestandteile). Darauf wird das Pulver verdichtet (in kaltem Zustand) und auf eine verhältnismäßig mäßige Temperatur erhitzt, worauf eine Warmbearbeitung, wie Z.B.Strangpressen, folgt. Dann können möglicherweise reduzie rende Arbeitsvorgänge, vorzugsweise Warmwalzen und/oder Kaltwalzen, angewendet werden, um die endgültige Abmessung zu erhalten, die normalerweise einen runden oder flachen Querschnitt aufweist. Durch Ausschaltung des Gießschrittes der harten Legierung - oder besser der Verschiebung dieses Schrittes zu einem späteren Niederschmelzen - und dafür die Haltung der harten Bestandteile in einem verhältnismäßig weich gebundenen Zustand in einer verformbaren Matrix - ist es möglich gewesen, ein Produkt zu erhalten, das eine zufriedenstellende Verwendbarkeit beim automatischen Schweißen hat_x und das in Form eines Drahtes oder eines Streifens oder dergleichen verwendet werden kann.

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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere brüchige, leicht zerkleinerte, aus Karbid und/oder Sigma-Phase bestehende Vorlegierungen vorbereitet werden, und zwar vorzugsweise auf schmelzmetallurigsche Weise. Diese Vorlegierungen bestehen aus Karbid und/oder Sigma-Phase, welche die Gehalte oder Mengen an Cr und W enthält, die in der endgültigen harten Legierung vorhanden sind. Die Sigma-Phase enthält auch wesentliche Mengen an Co und teilweise auch C. Auch das Karbid oder die Karbide enthalten natürlich C.

Die brüchigen, leicht zerkleinerten Vorlegierungen der Sigma-Phasen-Art, die als geeignet befunden worden sind, haben normalerweise eine Zusammensetzung, die aus 45 bis 65$ Cr, 0,5 bis 20$ W und 20 bis 50$ Co besteht. Besonders gute Qualitäten hatte die Zusammensetzung von 50 bis 60$ Cr, 4 bis 12$ W und ^O bis 40$ Co. Als Beispiele können Legierungen mit folgender Zusammensetzung erwähnt werden: 56 Cr - 8 W 36 Co sowie 54 Cr - 12 W - ^4 Co. Auch C-enthaltende Varianten haben sich als geeignet erwiesen. Ein Beispiel ist: 56 Cr - 8 W - 34 -Co - 2 C.

Unter den Karbiden, die sich als sehr leicht zerkleinert und als geeignet für die alleinige Verwendung oder die Verwendung zusammen mit Sigma-Phase erwiesen haben, kann Chromkarbid erwähnt werden, das aus 85 bis 95$ Cr und 5 bis 15$ C,

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beispielsweise 0γ₇0.,(91$ Cr, 9$ C) erwäh'nt werden, und ferner gemischte Karbide aus Cr und W, beispielsweise (Cr, W)₂-, Cg (85$ Cr, 12$ W, 1% C).

Nach der feinen Zerteilung der Vorlegierung, wie durch Quetschen, Mahlen oder dergleichen zu Pulver, werden gewünschte Mengen an C und/oder Co zugesetzt oder zugemischt, worauf die Pulvermischung anschließend verdichtet wird, und zwar vorzugsweise durch Pressen bei Raumtemperatur zu Körpern.

Durch eine entsprechende Auswahl der Pulver - die Teilchen sind in diesem Falle im wesentlichen kugelförmig - ist es auch möglich, den Kaltverdichtungsschritt zu vermeiden, da eine für eine erfolgreiche Warmverdichtung durch Strangpressen ausreichende relative Dichte ohne irgendwelche Vorverdichtungsschritte erreicht werden kann.

Nach einer möglichen Verdichtung erfolgt normalerweise eine Warmbehandlung der Presslinge bei etwa 700° bis 900⁰C in einer Schutzatmosphäre, wobei das bei der Verdichtung verwendete Schmiermittel ausgetrieben wird und eine verbesserte Festigkeit des Presslings erreicht wird.

Darauf erfolgt eine weitere Verdichtung und/oder Durchmesser-

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reduktion in warmem Zustand durch Warmbearbeitung, zweckmäßiger weise durch Strangpressen. In diesen Verfahrensschritt werden die gepressten und warmbehandelten Körper oder möglicherweise unverdichtete Pulver in Metallschichten eingeschlossen, die evakuiert und verschlossen werden, wodurch das Material vor Oxydation bei der Wärme geschützt wird. Auf diese Weise werden auch geeignete Stränge oder Blöcke für eine weitere Warmbearbeitung und entsprechende Behandlungen erhalten. Nach Erwärmung des Blockes oder Stranges auf eine Temperatur unterhalb 1200⁰C, gewöhnlich zwischen IO5O bis 1175° C, erfolgt die Warmbearbeitung, vorzugsweise als Strangpressen, die normalerweise durch einen folgenden Walzvorgang oder Schmiedevorgang vervollständigt wird. Auf diese Weise kann oft unmittelbar ein Endprodukt erhalten werden. Ein gewisses Kaltbearbeiten durch Walzen, Ziehen usw. - das nicht wesentlich die Verformbarkeit des Produktes ändert - kann in gewissen Fällen als Endschritt geeignet sein, ebenso wie andere Arten der Behandlung und/ oder der Warmbehandlung. Die Warmbearbeitung kann erleichtert werden, wenn die Co-Matrix legiert ist, beispielsweise mit 1,5 bis -3,5% Ti.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung und/oder die Bearbeitung des

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ursprünglichen Pulvers zu dem gewünschten Produkt, d.h. dem Schweißdraht, unter solchen Bedingungen erfolgt, daß eine zufriedenstellende Dichte, Homogenität und Struktur in dem Material erreicht werden kann.

Gleichzeitig erhält der Schweißdraht die gewünschte Verformbarkeit oder Flexibilität. Dies wird erreicht mit Hilfe einer sehr feinen Verteilung des Pulvers, wie oft durch Mahlen

zu
bis herab einer mittleren Korngröße zwischen 0,2 bis 20 /U, üblicherweise 0,3 bis 10 /u, und eine strenge Kontrolle der verwendeten Prozessbedingungen. Die Temperatur der Warmbearbeitung oder Warmverdichtung sollte somit innerhalb eines verhältnismäßig beschränkten Bereiches erfolgen. Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine zufriedenstellende Warmbearbeitbarkeit und Dichte des Materials zu erhalten, ohne ein so hartes gesintertes Produkt zu erhalten, daß seine Bearbeitbarkeit oder Verformbarkeit beeinträchtigt ist. Solch ein Temperaturbereich liegt oft zwischen 1100 und 1150⁰C '(die beeinträchtigte Bearbeitbarkeit wird im wesentlichen bewirkt durch eine Diffusion von Legierungselementen in die Matrix, wobei diese Elemente in der Sigma-Phase oder in den Karbiden enthalten sind).

Wie früher bereits erwähnt, hat es sich oft als vorteilhaft

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erwiesen, die Zusammensetzung des ursprünglichen Pulvers so einzustellen, daß so große Teile wie möglich oder der gesamte Teil der verformbaren Matrix, d.h. üblicherweise Co, in der Mischung verteilt sind. Im letztgenannten Falle können die harten Bestandteile gemischte Karbide aus Cr und W sein, die kein Co enthalten. Solche Karbide haben normalerweise eine Zusammensetzung von 0,05 bis 15^ vorzugsweise 1 bis \0% C, 75 bis 95$, vorzugsweise 80 bis 90$ Cr, und 0,5 bis 20$, vorzugsweise 8 bis l6# W. Als Beispiel einer solchen leicht zerkleinerten Karbidzusammensetzung kann erwähnt werden: 85 Cr - 12 W - 3 C.

Das folgende Beispiel beschreibt die Vorbereitung einer fortlaufenden Elektrode zum automatischen Schweißen durch das erfindungsgemäße Verfahren. Die Elektrode bestand aus einem Material der "Stellit"-Art mit einem Cr:W Verhältnis von ungefähr 7:1 und einem Gehalt von Co oberhalb 65$.

Ein leicht zerkleinertes gemischtes Karbid aus Cr und W, ein sogenanntes 2^-Karbid mit der Formel (Cr, W)p^Cg, wurde durch Schmelzen der Metallkomponenten zusammen mit Kohle in einem elektrisch beheizten Ofen vorbereitet. Das gemischte Karbid, das eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur (FCC) mit einem Gitterparameter 10,70 Ä (Angstrom) aufwies, wurde zu einer mittleren Korngröße von 0,5 bis 2 yu zerklei-

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nert und mit der gewünschten Menge an Co-Pulver und Preßschmiermittel in Verbindung mit dem erwähnten Mahlen gemischt. Nach Trocknung des Pulvers erfolgte eine Pressung von Körpern in Form von Platten oder Zylindern mit einem Durchmesser von etwa 50mm. Die Presslinge wurden dann warm behandelt bei 800°C in einer Schutzatmosphäre, worauf eine Anzahl von Körpern in einem rohrförmigen Körper aus Stahl mit einer Wanddicke von etwa Jmrn eingeschlossen wurden. Nach Evakuierung des Behälters von der eingeschlossenen Luft usw. wurde die äußere Schicht verschlossen und abgedichtet. Der so erhaltene Strang oder Block wurde dann auf etwa 1100⁰C aufgeheizt und zu einer Stange mit einem Durchmesser von etwa 3mm stranggepreßt. Durch Warmwalzen, wobei der genannte Block oder Strang auf eine Temperatur zwischen 1125 und 1150⁰C erhitzt wurde, erfolgte eine weitere Bearbeitung des Materials auf die gewünschte Drahtdimension, d.h. auf einen Durchmesser von 5mm. Der Draht wurde dann bei der Hartauftragsschweissung von Stahl in Form von automatischer Schweissung geprüft und zeigte zufriedenstellende Dehnbarkeit und Flexibilität. Das Schweissen konnte ohne Unterbrechungen erfolgen, und das Ergebnis zeigte eine gleichförmige und gut .· haftende Oberflächenschicht aus einer harten Legierung, welche die charakteristische erstarrende Struktur der entsprechenden gegossenen Legierung aufwies. Beim Schweissen erfolgt somit ein Schmelzen und eine vollständige Mischung der Legierungselemente. Die erhaltene

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harte Auftragsschicht war gekennzeichnet durch eine extrem feine Verteilung oder Dispersion von Cr-und W-Karbiden in einer Matrix aus Co.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

fIJ Verfahren zur Herstellung einer Schweißelektrode oder dergleichen, vorzugsweise in Form eines Drahtes oder Streifens, für die automatische Hartauftragsschweißung, wobei das Elektrodenmaterial aus einer harten Legierung besteht, die 0,05 bis 5,0$ C, 5 bis 35$ Cr, 0,5 bis 20$ W und Rest im wesentlichen Co neben normalen Verunreinigungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere brüchige, leicht zerkleinerte, aus Karbid und/oder Sigma-Phase bestehende Vorlegierungen vorbereitet werden, vorzugsweise auf schmelzmetallurigschem Wege eeeee, wobei diese Vorlegierungen neben wesentlichen Gehalten an C und/oder Co die Gehalte an Cr und W der endgültigen harten Legierung enthalten, daß die vorbereitete Vorlegierung durch Quetschen, Mahlen oder einen ähnlichen Bearbeitungsvorgang in Pulver fein verteilt wird, worauf fehlende Gehalte an C und/oder Co zugesetzt oder zugemischt werden, und daß anschließend das vorbereitete Pulver durch Behandlung oder Bearbeitung in kaltem Zustand oder in

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heißem Zustand bei einer Temperatur unterhalb 1200⁰C zu einem verformbaren, bearbeitbaren Produkt gepresst oder verdichtet wird. ·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen des Pulvers ein Pressen oder Kaltverdichten zu einem Körper oder zu mehreren Körpern umfaßt, die bei einer Temperatur zwischen 700° und 900⁰C in einer Schutzatmosphäre warm behandelt werden, worauf dieser oder diese Körper in eine äußere Schicht aus Metall oder dergleichen eingeschlossen und durch Strangpressen, Walzen oder dergleichen bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1175°C warm verdichtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung aus Sigma-Phase besteht, die aus 45 bis 65$ Cr, 0,5 bis 15# W und 20 bis 50% Co zusammengesetzt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung aus einem aus 1 bis 10$ C, 80 bis 90$ Cr und 8 bis \6% W enthaltenenden, gemischten Karbid besteht.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung aus Chromkarbid mit 85 bis 95$ Cr und 5 bis 15# C besteht.

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