ES2204549T3 - Material de fundicion para rodillos de tipo indefinido con camisa y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
Material de fundicion para rodillos de tipo indefinido con camisa y procedimiento para su fabricacion.Info
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Abstract
Procedimiento para la fabricación y preparación de un material de fundición aleada para la parte de trabajo de rodillos de tipo indefinido, que contiene los elementos carbono, silicio, manganeso, cromo, níquel, molibdeno, vanadio, eventualmente otros elementos del grupo 5 del sistema periódico, aluminio, hierro residual, elementos accidentales e impurezas debidos a la fabricación, según el cual A. se establece una colada que presenta la siguiente composición química, en % de peso: así como hierro residual e impurezas, y B. se añade vanadio, que se disuelve en la misma, en un porcentaje en peso de más de 0, 5 hasta máximo 5, 9, pudiendo dicho contenido de vanadio ser parcialmente substituido por un contenido de otros elementos del grupo 5 del sistema periódico, es decir, niobio y tantalio, en una dimensión de menos del 0, 6% en peso, y C. se ajusta la composición de la colada, desde el punto de vista de la aleación, determinando las concentraciones de carbono y de silicio en presencia de níquel, así como la suma de las acciones de los elementos generadores de carburo, de tal manera que durante su solidificación se forma una micro estructura, que contiene 1, 0 hasta 3, 0% en volumen de grafito con la condición determinante de que haya más de 20, pero menos de 100 partículas de grafito por mm2 de superficie de observación en una superficie pulida metalográfica y que el resto esté formado substancialmente por martensita, 8 hasta 35% en volumen de carburos eutécticos y, al menos, 1% en volumen de carburos de vanadio finamente dispersados, y seguidamente, D. se vierte la masa fundida en un molde, preferentemente en una coquilla de fundición centrifugada, y se deja que se solidifique formando un cuerpo, preferentemente un cuerpo de trabajo de un rodillo, y, eventualmente, se conforma dicho cuerpo de fundición, por ejemplo, como rodillo de fundición combinada, siendo dicho cuerpo o dicho rodillo, que ha sido formado de esta manera, E. sometido a un tratamiento térmico que consta, porlo menos, de un calentamiento a temperatura de tratamiento, un mantenimiento a dicha temperatura y un enfriamiento a temperatura ambiente.
Description
Material de fundición para rodillos de tipo
indefinido con camisa y procedimiento para su fabricación.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de un material de fundición aleada, sobre todo de
un material para la parte de trabajo de rodillos del tipo llamado
indefinido, es decir, la parte de trabajo o la camisa de rodillos
de fundición combinada de tipo indefinido, que contiene los
elementos carbono, silicio, manganeso, cromo, níquel, molibdeno,
vanadio, eventualmente, otros elementos del grupo 5 del sistema
periódico, aluminio, hierro residual e impurezas como consecuencia
de la fabricación.
Además, la invención se refiere a un material de
fundición que contiene los elementos indicados anteriormente.
Finalmente, la invención se refiere también a un
rodillo de fundición combinada de tipo indefinido, sobre todo para
cilindros de trabajo que sirven para la transformación de acero
plano, el cual consta de una parte de trabajo o camisa formada por
una aleación de fundición con poca tendencia a la adhesión o
soldadura de material laminado, y de un núcleo endurecido compuesto
de hierro fundido de baja aleación, sobre todo de fundición
esferoidal.
Las herramientas o componentes de máquinas, que
están sometidos durante su uso a varias cargas de diferente
índole, requieren un particular perfil de propiedades. Partiendo de
esta base, se han de elegir los materiales y los procedimientos de
fabricación más adecuados en cada caso, teniendo en cuenta la
viabilidad y la fabricación económica, así como la vida útil en el
funcionamiento práctico de dichos componentes.
Los componentes que se utilizan a temperaturas
cambiantes por encima de la temperatura ambiente, sobre todo para
la conformación en caliente de piezas de trabajo, están compuestos
en muchas aplicaciones por materiales de fundición. Eligiendo este
tipo de material se puede, esencialmente, minimizar de forma
ventajosa la deformación debida a temperaturas localmente
diferentes, producir los componentes de forma económica, y adaptar
las propiedades del material en gran medida a las cargas a las que
será sometido.
Los cilindros de trabajo para la laminación en
caliente de acero, por ejemplo, los rodillos en trenes de
laminación en caliente de banda ancha, sobre todo en cajas Steckel
y en cajas de acabado, están, por un lado, sometidos a altas
cargas mecánicas y térmicas, y tienen que presentar, por otro lado,
la menor tendencia posible a la adherencia y soldadura del material
laminado. Más delgado queda el fleje laminado en caliente, más
elevadas son las presiones superficiales específicas entre el
cilindro de trabajo y el material laminado, lo cual, favorecido por
las bajas temperaturas al final de la laminación en las últimas
cajas, aumenta considerablemente la tendencia del fleje a adherirse
a la superficie del rodillo. Esta adhesión o soldadura de la
superficie del rodillo con el fleje puede provocar el arranque de
material del fleje, pudiendo dicho material arrancado o adherido al
rodillo provocar otros desperfectos de laminación, lo cual conduce
a menudo inevitablemente a una pérdida de calidad del fleje
laminado en caliente.
Para cumplir las exigencias con respecto a la
reducción de fricciones en la abertura entre cilindros y con
respecto a la reducción de la tendencia del fleje a adherirse a la
superficie del rodillo, así como para aumentar la resistencia al
desconchado y a la deterioración del material por choque térmico,
se conoce la utilización de un material de fundición del tipo
llamado indefinido en la parte de trabajo de los rodillos en las
últimas cajas de un tren de laminación de flejes en caliente.
La calidad o tipo llamado indefinido está formado
por tres componentes estructurales substancialmente diferentes, que
están constituidos a partir del estado de fundición, es decir, de
grafito, de carburos y de una matriz similar al acero. Sólo la
matriz puede ser modificada esencialmente mediante un tratamiento
térmico. La calidad o tipo llamado indefinido de los rodillos o la
aleación genera mucho carburo y poco grafito en la estructura
cuando enfría rápidamente, y presenta las proporciones inversas
cuando enfría más lentamente, es decir, que entonces se genera
menos carburo y más grafito. Ello tiene como consecuencia que el
material que endurece rápidamente es más duro y el material que
endurece lentamente es más blando. En un rodillo de tipo indefinido
esto conlleva a que con la creciente distancia de la superficie de
fundición el porcentaje de carburo disminuye, el porcentaje de
grafito aumenta y la dureza también disminuye. Puesto que, en este
caso, no se ha observado ninguna grieta de temple definida, dicha
calidad se transformó en tipo indefinido. Las separaciones de
grafito pueden, sin embargo, mermar la dureza y, sobre todo, las
propiedades de desgaste del material, de manera que la micro
estructura debería contener adicionalmente carburos duros para
minimizar dicho inconveniente.
Para mantener el porcentaje de grafito y la
dureza de la camisa de un rodillo de fundición combinada lo más
constante posible, se propone, según el documento
EP-0 525 932 A1, llevar a cabo la colada de la
aleación para la camisa a una temperatura entre 20° y 70° C por
encima de la temperatura de separación de partículas primarias, y
verter el metal líquido de tal manera en el tubo de la coquilla,
que la velocidad media de la constitución de la camisa es de 2
hasta 40 mm/min.
Un experto sabe cómo fabricar una estructura de
metal fundido con partículas de grafito y carburos mediante
medidas de aleación, teniendo en cuenta que los contenidos en
elementos que fomentan la generación de grafito, esencialmente
níquel y silicio, y la concentración de generadores de carburo,
esencialmente cromo y molibdeno en pequeñas cantidades, así como
los contenidos de carbono en la masa fundida, han de estar
equilibrados entre sí, y también teniendo en cuenta su interacción
al endurecer.
Según el estado de la técnica, los rodillos de
tipo indefinido presentan una composición en porcentajes de peso
de 2,6 a 3,6 de carbono, de 0,6 a 1,1 de silicio, de 0,6 a 1,0 de
manganeso, de 1,5 a 2,1 de cromo, de 4,1 a 4,6 de níquel, de 0,3 a
0,5 de molibdeno, hierro residual, elementos accidentales e
impurezas. La micro estructura del cuerpo de trabajo o de la camisa
de un rodillo de fundición combinada consta, substancialmente, de
una matriz bainítica y/o martensítica con contenidos del 28 al 40%
de carburos eutécticos y del 1,3 al 2,2% en volumen de grafito,
estando presentes de 5 hasta 20 partículas de grafito por mm^{2}
de superficie pulida.
A efectos de mejorar las características de uso
de rodillos de tipo indefinido, sobre todo para aumentar su
resistencia al desgaste en la parte de trabajo, ya se ha intentado
(PCT/GB 93/02380) incorporar en la masa fundida, prevista a tal
efecto, partículas de carburo de mayor dureza y, preferentemente,
revestidas superficialmente. El documento WO 96/39 544 da a conocer
un rodillo de tipo indefinido formado por hierro fundido que
contiene 2,5-4,0 C, 4,2-4,6 Ni,
0,3-0,5 Mo, 1,5-2,0 Cr,
0,7-1,2 Si, 0,7-1,0 Mn, <0,07 P,
<0,08 S, 0,3-6,0 Nb y hierro residual, en el
cual los carburos están distribuidos uniformemente, y que presenta
una dureza Shore C de 76 hasta 83, estando el 3-6%
de carbono constituido por grafito. Para un experto es conocido que
un pequeño porcentaje de carburos altamente duros aumenta más la
resistencia al desgaste del material que el aumento de carburos
típicos para la calidad que tienen poca dureza. Si se fabrica el
rodillo o la camisa del mismo a partir de una masa fundida de este
tipo mediante el procedimiento de colada centrifugada, entonces
podrán producirse fenómenos de segregación y defectos de
homogeneidad indeseados debido a la fuerza centrífuga y a que el
peso específico de la masa fundida es distinto al de las partículas
de carbono. Además, la modificación de la masa fundida también
puede interferir en la formación del grafito necesario.
Según el documento PCT/US 96/09181, se propuso
añadir a una masa fundida una composición equilibrada para rodillos
de tipo indefinido el 0,3 hasta 6,0% en peso de niobio y aumentar
el contenido de carbono mediante estequiometría en función del
carburo de niobio a generar. Mediante este procedimiento
ciertamente se incrementa el porcentaje de carburo y aumenta la
resistencia al desgaste del material, sin embargo, los contenidos
más elevados de niobio pueden conducir a la formación primaria de
carburos, lo cual puede provocar que los granos de carburo y las
partículas de grafito sean más gruesos.
En un proceso de colada centrifugada de la parte
de trabajo de un rodillo de tipo indefinido, la aleación en el
interior de la coquilla está sometida durante la solidificación a
una gran aceleración centrífuga, por ejemplo, en un ámbito de 80
hasta 180 G. Dado que los mono carburos del vanadio, formados en la
masa fundida en una fase primaria, tienen una densidad inferior y
los del niobio tienen una densidad superior a la del metal líquido,
pueden producirse fenómenos de segregación o disgregación. Para
evitar dichas segregaciones ya se propuso (US 5 738 734) mezclar la
masa fundida con vanadio y niobio a partes iguales de tal manera
que los mono carburos, que se generan durante la solidificación,
son carburos mixtos (VNb)C, que presentan substancialmente
la misma densidad como la masa fundida. Debido a que, según la
patente estadounidense antes mencionada, el contenido en elementos
formadores de mono carburos debía ser lo más elevado posible, hasta
el 17% en peso, la concentración en carburo también ha de ser
ajustada según el contexto conocido. Sin embargo, una aleación de
este tipo puede presentar una estructura de solidificación
desfavorable con separaciones locales de la mezcla y grandes
partículas de grafito, lo cual comporta, por una parte, una pérdida
de calidad de la superficie del rodillo después de un corto tiempo
de servicio y, por otro lado, aumenta la tendencia del material
laminado a adherirse.
Partiendo de dicho estado de la técnica, la
invención tiene como objetivo dar a conocer un procedimiento nuevo
y mejorado, mediante el cual el material de la parte de trabajo de
los rodillos de tipo indefinido presenta substancialmente menos
tendencia a la adhesión o a la soldadura del material laminado, y
posee una resistencia a la abrasión constantemente alta a través del
grosor de la parte utilizada.
Además, la invención tiene como objetivo crear un
material de fundición, que presenta separaciones de grafito
finamente dispersadas y distribuidas homogéneamente con pequeño
porcentaje volumétrico, y que contiene carburos especiales, todos
ellos con un pequeño diámetro de grano, asimismo distribuidos
homogéneamente en el material base, y que presenta en la superficie
de trabajo propiedades substancialmente inalteradas en caso de
abrasión.
Finalmente, la invención tiene como finalidad
fabricar rodillos de fundición combinada de tipo indefinido, cuyas
características de uso son substancialmente mejoradas y en cuya
zona de transición hacia el núcleo el peligro de roturas de
rodillos, de desconchados y formaciones de grietas es reducido.
Dicho problema se resuelve mediante un
procedimiento, según la reivindicación 1.
Las ventajas conseguidas mediante la invención
consisten substancialmente en que la cinética de solidificación de
la masa fundida y la morfología estructural del material han sido
ajustadas, modificándolas ventajosamente. Dicha modificación se
consigue mediante la acción sinergética de los elementos de
aleación en las concentraciones indicadas, siendo posible una gran
cantidad de pequeñas partículas de grafito, aumentando de forma
insignificante el contenido de silicio con respecto al estado de la
técnica y, eventualmente, el de aluminio, en presencia de níquel y
dentro de márgenes estrechos. A tal efecto, es importante, sin
embargo, la suma de las acciones de los elementos generadores de
carburo durante la solidificación eutéctica, habiéndose detectado
que el cromo y el molibdeno son, en las concentraciones previstas,
los parámetros decisivos. Dado que los carburos de vanadio son
precipitados, por lo menos parcialmente, en la aleación líquida
antes de su solidificación eutéctica hasta el límite de solubilidad
del vanadio, es importante que dichos mono carburos presenten un
tamaño de grano pequeño y no puedan, de esta manera, segregarse en
la masa fundida a pesar de la aceleración centrífuga que actúa
durante la solidificación. Según el estado de conocimientos actual,
se consigue la finura de grano de la precipitación primaria
dispersa de carburo mediante la interacción entre carbono, silicio
y níquel, por un lado, y cromo, molibdeno y vanadio, por otro lado.
Dichas interacciones de los efectos de los elementos todavía no
están totalmente esclarecidas científicamente, sin embargo se puede
suponer que se consigue una cinética de precipitación ventajosa
durante la solidificación y que, con los contenidos de silicio y las
concentraciones de níquel adecuados en la colada residual, se
retrasa la separación de grafito y la precipitación eutéctica de
carburo, y que, una vez conseguido un mayor subenfriamiento, se
produce una solidificación residual de grano fino. A tal efecto, la
composición de la colada debería estar ajustada de forma que el
porcentaje de grafito en el material solidificado es de 1,0 hasta
3,0% en volumen. Porcentajes de grafito inferiores aumentan la
tendencia a la adhesión del material laminado a la superficie del
rodillo de laminación, incluso si la densidad de las partículas de
grafito por mm^{2} es alta, mayor que 20. Si el porcentaje de
grafito sobrepasa el 3,0% en volumen, también aumentará el desgaste
del rodillo de laminación. Además, de ha de establecer mediante la
aleación un porcentaje de 8 hasta 35% en volumen de carburos
eutécticos y un contenido de al menos 1% en volumen de carburos
especiales o mono carburos. Porciones de carburos inferiores al 8 y
al 1 en volumen se traducen en una resistencia insuficiente del
material al desgaste, y más del 35% en volumen de carburos
eutécticos aumentan el peligro de agrietamiento o de rotura.
Una resistencia muy marcada al agrietamiento por
choque térmico, así como una muy buena calidad de la superficie con
poco desgaste del rodillo de laminación durante el servicio, se
podrán conseguir si la composición de la colada se ajusta mediante
la aleación de tal manera que al solidificar se forma una micro
estructura que presenta 1,2 hasta 2,5% en volumen, preferentemente,
1,25 hasta 1,95% en volumen, de grafito, con la condición
determinante de que haya más de 22, pero como máximo 90 partículas
de grafito por mm^{2} de superficie de observación pulida, y que
el resto esté formado substancialmente de martensita, de 10 hasta
25% en volumen de carburos eutécticos y 2 hasta 20 mono carburos
finamente distribuidos.
Si, según un desarrollo preferente de la
invención, la composición de la colada se ajusta de tal manera que,
en presencia de níquel, el coeficiente de la relación de
concentración entre carbono y silicio es inferior/igual a 2,6,
preferentemente inferior/igual a 2,0, entonces se podrá llevar a
cabo, con un alto grado de precisión y dentro de márgenes
estrechos, la separación de grafito o el porcentaje en grafito del
material en la zona deseada. Si dicho coeficiente de la proporción
de concentración entre carbono y silicio sobrepasa el valor de 2,6,
esto provocará la formación de mono carburos primarios gruesos y
también influirá de forma desventajosa en la formación de
grafito.
Al optimizar las propiedades del material y la
calidad del mismo, es ventajoso que el contenido de carbono de la
colada sea ajustado a un valor de 2,2 hasta 3,1, preferentemente,
2,6 hasta 2,95, en porcentaje en peso.
En el sentido de una distribución de grafito y de
carburo particularmente equilibrada durante la solidificación, y
para mejorar más todavía las características de uso del rodillo de
laminación, ha mostrado ser útil disponer que el contenido final de
silicio sea superior a 1,2 hasta 1,95, preferentemente superior a
1,4 hasta 1,75% en peso.
El elemento aluminio estimula, por un lado, la
tendencia a generar grafito, pero provoca también, por otro lado,
la precipitación de carburos especiales de grano fino. El aluminio
puede, por lo tanto, sustituir en parte el silicio en lo que se
refiere al efecto cinético, y encontrar aplicación como elemento de
control para una precipitación equilibrada de grafito/carburo, de
manera que en el ajuste de la composición de la colada, en cuanto a
la aleación, se puede añadir aluminio con 0,002 hasta 0,65% en peso
y puede ser disuelto en dicha colada. Son preferentes contenidos
de 0,005 hasta 0,04% en peso de aluminio.
El ajuste de una alta calidad de material dentro
de márgenes estrechos es útil, si el contenido en níquel de la
colada es ajustado, en porcentaje en peso, a un valor de 3,51 hasta
4,7, preferentemente de 4,15 hasta 4,6.
En cuanto a la cinética de solidificación, pero
también con respecto a la formación de un gran número de partículas
de grafito, ha demostrado ser ventajoso que el coeficiente de la
relación de concentración entre molibdeno y cromo sea menor que
1,0, preferentemente, menor que 0,8.
Mo/Cr < 1,0,
preferentemente <
0,8
Si el coeficiente sobrepasa 1,0, durante el
enfriamiento y durante el tratamiento térmico del rodillo de
fundición combinada se podrán producir grandes tensiones de
transformación, lo cual podría producir separaciones de material.
Este peligro es mayor en rodillos pequeños, pero por razones de
seguridad en cuanto a la formación de grietas es, sin embargo,
ventajoso prever de todos modos una proporción entre los contenidos
de cromo y molibdeno por debajo de 0,8.
Con respecto a una formación dirigida de carburos
eutécticos y, por lo tanto, de una reducción del peligro de rotura
del material del rodillo durante cargas por choques, ha mostrado
ser ventajoso que los contenidos de cromo y molibdeno en la masa
fundida presenten los siguientes valores en porcentaje en peso:
cromo 1,2 hasta 2,6, preferentemente 1,5 hasta 2,01; molibdeno 0,20
hasta 2,6, preferentemente 0,3 hasta 0,9.
El manganeso sirve, en primer lugar, para ligar
el azufre, siendo de forma ventajosa el contenido de manganeso en
la colada en porcentaje en peso, ajustado a un valor de 0,6 hasta
1,6, preferentemente 0,7 hasta 1,45.
Para estimular más todavía una distribución de
las partículas de grafito finamente dispersadas y mantener el
tamaño de grano de los carburos especiales uniformemente pequeño,
mejorando de esta manera las características de uso de un rodillo
de laminación de tipo indefinido, incluso tras repetidas
operaciones de esmerilado, también puede constituir una ventaja que
se añade a la colada 1,8 hasta 3, 9, preferentemente 1,9 hasta 2,9%
en peso de vanadio y que éste sea disuelto en la misma.
También puede ser una ventaja que el vanadio sea
sustituido parcialmente por otros elementos, Tau y/o Nb, del grupo
5 del sistema periódico, en un orden de menos del 0,6% en peso y
que se formen carburos mixtos. Finalmente, las características
previstas del material se consiguen mediante un tratamiento
térmico. A lo largo del procedimiento, según la invención, ha
mostrado ser ventajoso que el cuerpo de fundición o rodillo sea
sometido a un tratamiento térmico, que consta, por lo menos, en
calentar dicho cuerpo de temperatura ambiente a una temperatura de
tratamiento de 400° hasta 500°C, preferentemente de 460° hasta
480°C, en mantenerlo a esta temperatura durante al menos dos horas,
preferentemente al menos durante ocho horas, y enfriarlo a
temperatura ambiente, eventualmente, con un tratamiento de baja
temperatura.
El otro objetivo de la invención se consigue con
un material de fundición, según la reivindicación 11.
La ventaja del material formado de esta manera
consiste en su particular adecuación para la fabricación de
rodillos de tipo indefinido y se ha de ver, substancialmente, en el
hecho de que, en comparación con el estado de la técnica, se
consigue un porcentaje de grafito muy constante con un perfil de
propiedades semejante del material. La alta densidad de partículas
de grafito, que se consigue por medio de la aleación, reduce
considerablemente la tendencia del material laminado a adherirse o
quedar soldado en la superficie del rodillo de laminación. Con un
índice de partículas inferior a 20 por mm^{2} de superficie de
observación no se consigue, sin embargo, un efecto suficiente. Lo
mismo es válido si el número de partículas de grafito sobrepasa los
100 por mm^{2}, ya que en esta situación el diámetro de las
partículas individuales es demasiado pequeño como para reducir la
tendencia a la adhesión en la dimensión necesaria. Para conseguir
un alto índice de partículas de grafito y una solidificación
eutéctica fina con carburos especiales de tamaño pequeño, es
preciso que el contenido en vanadio sea mayor que 0,5% en peso,
porque concentraciones menores no consiguen una refinación eficaz
de la estructura. Para la formación de partículas de grafito
finamente dispersas, así como para mantener una estructura deseada
de solidificación y de estabilidad del material, se han de prever,
aparte del contenido de carbono requerido, los elementos silicio en
presencia de níquel, así como cromo y molibdeno, cada uno de ellos
dentro de unos márgenes estrechos de concentración, porque dichos
elementos están en interacción cinética unos con otros. Altos
contenidos de vanadio conducen, sin embargo, a precipitaciones
primarias de carburo grueso del tipo MC y pueden provocar un
elevado peligro de rotura y un desprendimiento de las grandes
partículas de carburo de la superficie de trabajo, de forma que la
concentración de dicho elemento en el material no deberá sobrepasar
el valor de 5,9% en peso.
Las características de uso del rodillo de
laminación podrán ser mejoradas de forma ventajosa si la aleación
contiene 1,8 hasta 4,9% en peso de vanadio, 2,2 hasta 3,1 de
carbono, con la condición determinante de que comprenda 1,2 hasta
2,5% en volumen de grafito en partículas con una distribución de
más de 22, pero como máximo 90 partículas por mm^{2} de una
superficie pulida metalográfica. Si con un contenido de grafito de
1,8% en volumen se sobrepasa el índice de 100 partículas de grafito
por mm^{2} de superficie, entonces la tendencia del material
laminado a adherirse a la superficie del rodillo de laminación se
incrementará considerablemente.
Una alta seguridad cualitativa, sobre todo con
respecto al comportamiento del material durante la transformación,
se conseguirá si la aleación contiene, según se define en las
reivindicaciones, los siguientes elementos en el porcentaje en peso
indicado: 2,0 hasta 3,5 de carbono; 1,0 hasta 2,0 de silicio; 0,5
hasta 2,0 de manganeso; 1,0 hasta 3,0 de cromo; 3,5 hasta 4,9 de
níquel; 0,2 hasta 2,9 de molibdeno, 1,5 hasta 4,9 de vanadio;
hierro residual e impurezas.
Según se ha mostrado en la realización de la
composición del material, según la invención, con respecto a una
formación homogénea y finamente dispersa de partículas de grafito,
así como unas características de uso mejoradas de un rodillo de
tipo indefinido, es ventajoso, además, que la aleación presente una
relación de concentración de carbono con respecto a silicio con un
coeficiente inferior/igual a 2,6, preferentemente inferior/igual a
2,0, siendo prevista la presencia de níquel.
Tanto para conseguir la formación de grafito y de
carburo particularmente finos, como también para provocar una
precipitación eutéctica equilibrada de grafito/carburo, ha mostrado
ser ventajoso que la aleación contenga un porcentaje en peso de
silicio mayor que 1,2 hasta 1,85, preferentemente de 1,4 hasta
1,75.
En contenidos de 0,002 hasta 0,65% en peso,
preferentemente de 0,005 hasta 0,04% en peso, el aluminio puede
asegurar, de forma ventajosa, la formación deseada de grafito y de
carburo, así como una fina estructura de solidificación del cuerpo
de fundición.
De forma preferente, con respecto a un contenido
de grafito controlado y a una dureza predeterminada del material,
la aleación contiene 3,5 hasta 4,9, preferentemente 4,15 hasta
4,6% en peso de níquel.
Para ligar el azufre, la aleación puede contener,
de forma ventajosa, 0,6 hasta 1,6, preferentemente 0,7 hasta 1,4%
en peso de manganeso.
Tanto la morfología de solidificación como
también el comportamiento del material de la camisa durante el
proceso de transformación podrán ser mejorados, y el peligro de
agrietamiento del rodillo de fundición combinada podrá ser reducido
si la aleación presenta una relación de concentración de molibdeno
respecto a cromo cuyo coeficiente es inferior a 1,0,
preferentemente inferior a 0,8. Debido a ello, se reducen
decisivamente las tensiones interiores de un rodillo de laminación.
Ello es válido para los contenidos de vanadio hasta 5,9% en peso y
sólo reducidos contenidos en otros elementos del grupo 5 del
sistema periódico. Debido a contenidos de cromo de 1,5 hasta 2,01%
en peso y concentraciones de 0,3 hasta 0,9 de molibdeno, sobre todo
con un contenido de carbono de 2,6 hasta 2,95% en peso, el
porcentaje de carburos eutécticos contenido en el material del
rodillo puede estar establecido de forma ventajosa.
Si la aleación contiene 1,8 hasta 4,0,
preferentemente 1,9 hasta 2,95% en peso de vanadio, se conseguirá
al mismo tiempo una buena resistencia al desgaste con altas durezas
de material y un comportamiento mejorado del material durante el
proceso de transformación estructural.
El contenido de vanadio también puede estar
substituido parcialmente por un contenido en los otros elementos
formadores de monocarburos Nb y/o Ta del grupo 5 del sistema
periódico en un orden de menos de 0,6% en peso.
Concentraciones de 0,6% en peso o más de niobio o
tantalio en la aleación pueden dar lugar a la formación de fases
gruesas en la estructura, lo cual deteriora las características del
cilindro de trabajo y la calidad superficial del material
laminado.
Finalmente, se conseguirán una alta resistencia a
la rotura y una reducida tendencia al desconchado, con una mejorada
resistencia al desgaste del material de fundición, si éste
contiene 8 hasta 35, preferentemente 10 hasta 25% en volumen de
carburo eutéctico, y de 1 hasta 15, preferentemente 2 hasta 10% en
volumen de carburos de los elementos del grupo 5, del grupo
vanadio, del sistema periódico.
Rodillos de fundición combinada de tipo
indefinido, fabricados según el procedimiento de colada
centrifugada, que presentan características de uso
considerablemente mejoradas y un peligro reducido de que se
produzcan roturas de rodillo, desconchados y grietas por choque
térmico en la zona de transición hacia el núcleo, se consiguen
porque la zona de trabajo o camisa tiene un grosor de 10 hasta 150
mm y el material de la camisa tiene una estructura compuesta,
substancialmente, de 1,0 hasta 2,5% en volumen de grafito, siendo
éste finamente dispersado con un índice de más de 20 partículas de
grafito por mm^{2} de una superficie pulida metalográfica, de 8
hasta 35% en volumen de carburos eutécticos, de 1 hasta 20% en
volumen de carburos de vanadio uniformemente distribuidos, sobre
todo en dirección del grosor de la camisa, siendo el resto formado
substancialmente por martensita y componentes presentes debido a
impurezas o a la producción, y que tienen una dureza entre 70 y 90
ShC.
Esta finalidad se resuelve mediante el rodillo de
fundición combinada de tipo indefinido, según la reivindicación
17.
La ventaja de los rodillos, según la invención,
se ha de ver substancialmente en el hecho de que la camisa, que
está unida metálicamente con el núcleo de gran resistencia,
presenta un alto índice de partículas de grafito, que impide de
forma muy eficaz la adhesión o la soldadura del material laminado
durante el proceso de laminación. Dicha formación homogénea de
grafito, así como la distribución uniforme de los pequeños carburos
especiales de vanadio, se consigue influyendo mediante la aleación
en la cinética de solidificación, de manera que no se pueden
producir separaciones de la mezcla durante el procedimiento de
colada centrifugada debido a lo que se llama una segregación
centrífuga. Por lo tanto, la conformación de la estructura y el
rendimiento de laminación serán, de forma ventajosa, básicamente
iguales después de cada tratamiento subsiguiente de la superficie
de trabajo, incluso en el caso de que sea necesaria la retirada
radial de materiales.
El rendimiento de laminación respectivo, hasta
que sea necesario el tratamiento subsiguiente de la superficie, es
ventajosamente incrementado porque la alta densidad de partículas
de grafito provoca una mayor resistencia al agrietamiento por
choque térmico, así como una mejorada calidad superficial de la
camisa, cuya resistencia al desgaste se ve aumentada por los
carburos especiales.
Un elevado perfil de propiedades de un rodillo de
laminación, según la invención, se podrá conseguir de forma fiable
si la parte de trabajo o material de la camisa posee una
estructura, la cual contiene 1,0 hasta 2,5% en volumen de grafito,
con la condición determinante de que su densidad de distribución
sea de al menos 22 partículas, pero como máximo de 100 partículas
por mm^{2} de superficie pulida metalográfica, y que contiene
carburos eutécticos en un orden de 10 hasta 25% en volumen, así
como 2 hasta 10% en volumen de carburos especiales de los elementos
del grupo 5 del sistema periódico.
Si, según una variante de material preferida,
dicho material de trabajo o de la camisa presenta una composición,
en porcentajes de peso, de:
C = de 2,0 hasta 3,5; preferentemente de 2,21
hasta 3,1, muy preferentemente de 2,6 hasta 2,95;
Si = 1,0 hasta 2,0; preferentemente mayor que 1,2
hasta 1,85; muy preferentemente 1,4 hasta 1,75;
Mn = 0,5 hasta 2,0; preferentemente 0,6 hasta
1,6; muy preferentemente 0,7 hasta 1,4;
Cr = 1,0 hasta 3,0; preferentemente 1,3 hasta
2,5; muy preferentemente 1,5 hasta 2,01;
Ni = 3,5 hasta 4,9; preferentemente 3,5 hasta
4,7; muy preferentemente 4,15 hasta 4,6;
Mo = 0,2 hasta 2,9; preferentemente 0,25 hasta
1,3; muy preferentemente 0,3 hasta 0,9;
Al = 0,002 hasta 0,65; preferentemente 0,005
hasta 0,1; muy preferentemente 0,005 hasta 0,04;
V = 0,5 hasta 5,9; preferentemente 1,8 hasta 3,9;
muy preferentemente 1,9 hasta 2,9;
eventualmente Nb y/o Ta inferior a 0,6, y hierro
residual e impurezas, y que el núcleo del rodillo de laminación
está formado por fundición esferoidal, entonces se consigue una
alta resistencia al desgaste, un peligro reducido de que se formen
grietas y de que las mismas se propaguen, y una gran dureza de la
parte de trabajo del rodillo de laminación.
Una gran seguridad contra la iniciación de
grietas se consigue si la zona de unión entre la camisa o la parte
de trabajo y el núcleo de rodillo, de hierro fundido de baja
aleación, preferentemente de fundición esferoidal, presenta en
dirección radial una resistencia a la flexión superior a 600
N/mm^{2} (ensayo de flexión en tres puntos).
La invención es explicada más detalladamente por
medio de diagramas y de imágenes de los resultados de los ensayos,
así como de una tabla. En ellos se muestra:
En la figura 1, un diagrama C/Si;
En la figura 2, un diagrama Mo/Cr;
En las figuras 3 y 4, superficies pulidas no
grabadas.
Tabla 1, materiales para rodillos y su
rendimiento en el funcionamiento práctico.
En la figura 1 se muestra la concentración de
silicio y carbono, estando el margen, según la invención, descrito
mediante los puntos \alpha, \beta, \gamma, \delta. Están
señalados los márgenes preferentes con un coeficiente C/Si = 2,6
(margen A) (\alpha, \beta, \gamma, \delta^{1},
\alpha^{1}) y un
coeficiente C/Si \leq 2,0 (margen B) (\alpha,
\beta, \gamma, \delta^{2}).
En la figura 2 se muestra un diagrama de
molibdeno y cromo, en el cual se refleja el margen de las
relaciones (\alpha, \beta, \gamma, \delta) entre los
contenidos, según la invención. Márgenes preferentes con un
coeficiente
Mo/Cr \leq 1,0 (margen A)
(\alpha, \beta, \gamma,
\delta^{1},
\alpha^{2})
y un coeficiente
de
Mo/Cr = 0,8 (margen B)
(\alpha, \beta, \delta^{2},
\alpha^{1})
están señalados como en la figura
1.
La figura 3 ilustra, en una superficie pulida
ampliada 50 veces, la formación de grafito en un material para un
rodillo de laminación, según el estado de la técnica. La camisa
presentó la siguiente composición química, expresada en porcentajes
en peso: C = 3,09, Si = 0,91, Mn = 0,84, Cr = 1,79, Ni = 4,51, Mo =
0,38, Al = 0,003, contenido de grafito: 3,9% en volumen, 18
partículas de grafito por mm^{2} .
La figura 4 muestra en una ampliación de 50
aumentos el elevado número y distribución regular de las partículas
de grafito en una zona de trabajo combinada, de acuerdo con la
invención, correspondiente a un rodillo. La composición química de
la zona de trabajo era en % en peso: C = 3, 02, Si = 1, 42, Mn = 0,
9, Cr = 1, 8, Ni = 4, 36, Mo = 0, 52, V = 2,9, Al = 0,008,
partículas de grafito: 2,8% en volumen, 42 partículas de grafito en
cada mm^{2}.
Comparado con un material según el estado de la
técnica, a pesar del más bajo contenido de carbono y del menor
porcentaje de grafito del material de fundición, según la
invención, su índice de partículas de grafito era el doble de alto
y se midió 3,2% en volumen de carburos de vanadio.
En la tabla 1 se recogen respectivamente la
composición química de la camisa del rodillo, la conformación de la
estructura y el rendimiento de laminación conseguido por 10 pares
de rodillos durante el funcionamiento práctico. Los rodillos con
las denominaciones A hasta E, fabricados según el estado de la
técnica, no han sido aleados, por lo tanto, con vanadio, mientras
que los rodillos con las denominaciones F hasta J han sido
elaborados con un material de camisa aleado, según la
invención.
Mediante la adición de vanadio (rodillos F hasta
N) a la aleación y con un porcentaje más pequeño de carburos
eutécticos, se pudieron formar carburos de vanadio duros de grano
pequeño y una distribución ampliamente homogénea en el material, lo
cual ha aumentado considerablemente la resistencia al desgaste del
material y, finalmente, también el rendimiento de laminación. Un
alto índice de partículas de grafito por mm^{2}, que se consigue
mediante las interacciones de las actividades de los elementos Cr,
Si, Ni, Mo, C y V, ha impedido, incluso con bajos contenidos en
grafito, la adhesión o soldadura del material laminado a la
superficie de rodillo. La adición de niobio o tantalio, es decir,
de otros elementos del grupo 5 del sistema periódico, aportó, con
contenidos inferiores a 0,6% en peso, un pequeño aumento de la
resistencia a la abrasión o del rendimiento de laminación durante
el funcionamiento. Es remarcable que la formación de grietas y la
propagación de las mismas, así como el desconchado, se redujeron
considerablemente en el material de la camisa, según la invención,
lo cual se debe probablemente al alto índice de partículas de
grafito. Un micro ensayo de comprobación ha demostrado que los
monocarburos MC eran de grano pequeño y estaban dispuestos en gran
parte de manera finamente dispersada. Puesto que, por un lado, la
densidad de los carburos de vanadio es de aproximadamente 5,82
g/cm^{3} a temperatura ambiente y, por otro lado, no se detectó
ninguna segregación centrífuga provocada por la colada
centrifugada, es admisible concluir que la precipitación de
carburos especiales y la separación de grafito fino tienen lugar
substancialmente durante la solidificación eutéctica, o que se ha
impedido en gran parte una precipitación primaria.
(Tabla pasa a la página
siguiente)
Claims (21)
1. Procedimiento para la fabricación y
preparación de un material de fundición aleada para la parte de
trabajo de rodillos de tipo indefinido, que contiene los elementos
carbono, silicio, manganeso, cromo, níquel, molibdeno, vanadio,
eventualmente otros elementos del grupo 5 del sistema periódico,
aluminio, hierro residual, elementos accidentales e impurezas
debidos a la fabricación, según el cual
A. se establece una colada que presenta la
siguiente composición química, en % de peso:
así como hierro residual e impurezas, y
B. se añade vanadio, que se disuelve en la misma,
en un porcentaje en peso de más de 0,5 hasta máximo 5,9, pudiendo
dicho contenido de vanadio ser parcialmente substituido por un
contenido de otros elementos del grupo 5 del sistema periódico, es
decir, niobio y tantalio, en una dimensión de menos del 0,6% en
peso, y
C. se ajusta la composición de la colada, desde
el punto de vista de la aleación, determinando las concentraciones
de carbono y de silicio en presencia de níquel, así como la suma de
las acciones de los elementos generadores de carburo, de tal manera
que durante su solidificación se forma una micro estructura, que
contiene 1,0 hasta 3,0% en volumen de grafito con la condición
determinante de que haya más de 20, pero menos de 100 partículas de
grafito por mm^{2} de superficie de observación en una superficie
pulida metalográfica y que el resto esté formado substancialmente
por martensita, 8 hasta 35% en volumen de carburos eutécticos y, al
menos, 1% en volumen de carburos de vanadio finamente dispersados,
y seguidamente,
D. se vierte la masa fundida en un molde,
preferentemente en una coquilla de fundición centrifugada, y se
deja que se solidifique formando un cuerpo, preferentemente un
cuerpo de trabajo de un rodillo, y, eventualmente, se conforma
dicho cuerpo de fundición, por ejemplo, como rodillo de fundición
combinada, siendo dicho cuerpo o dicho rodillo, que ha sido formado
de esta manera,
E. sometido a un tratamiento térmico que consta,
por lo menos, de un calentamiento a temperatura de tratamiento, un
mantenimiento a dicha temperatura y un enfriamiento a temperatura
ambiente.
2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en
el cual se ajusta la composición de la colada, desde el punto de
vista de la aleación, determinando las concentraciones de carbono y
de silicio en presencia de níquel, así como la suma de las acciones
de los elementos generadores de carburo, de tal manera que durante
su solidificación se forma una micro estructura, que contiene 1,2
hasta 2,5% en volumen, preferentemente 1,25 hasta 1,95% en volumen
de grafito con la condición determinante de que haya más de 22,
pero como máximo 100 partículas de grafito por mm^{2} de
superficie de observación en una superficie pulida metalográfica y
que el resto esté formado substancialmente por martensita, 10 hasta
25% en volumen de carburos eutécticos y 2 hasta 20% en volumen de
carburos, finamente distribuidos, de los elementos del grupo 5 del
sistema periódico, es decir de vanadio, niobio y tantalio.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1 ó 2,
en el cual se ajusta la composición de la colada de tal manera que
el coeficiente de la concentración de carbono respecto a la de
silicio es inferior/igual a 2,6, preferentemente inferior/igual a
2,0.
4. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual se ajusta el contenido de
carbono en la colada a un valor, en porcentaje en peso, de 2,2
hasta 3,1, preferentemente 2,6 hasta 2,95, y/o en el cual está
dispuesto que el contenido final de silicio, en porcentaje en peso,
sea 1,2 hasta 1,85, preferentemente 1,4 hasta 1,75.
5. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual al ajustar la composición de la
colada, en función de la aleación, se añade, y se disuelve en la
misma, aluminio en un orden de 0,005 hasta 0,04% en peso.
6. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el cual se ajusta el contenido de níquel
en la colada a un valor, en porcentaje en peso, de 3,51 hasta 4,7,
preferentemente de 4,15 hasta 4,6.
\newpage
7. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el cual se ajusta la composición de la
colada de tal manera que el coeficiente de la concentración de
molibdeno respecto a la de cromo es inferior a 1,0, preferentemente
inferior a 0,8, y/o en el cual se ajustan los contenidos de cromo y
molibdeno en la colada a los siguientes valores, en % en peso.
8. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el cual se añade vanadio a la masa
fundida, en un orden de 1,8 hasta 3,9, preferentemente 1,9 hasta
2,9% en peso, y se disuelve en la misma.
9. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el cual el vanadio es parcialmente
substituido por elementos del grupo 5 del sistema periódico, es
decir por niobio y tantalio, en un orden de menos del 0,6% en peso,
y se forman carburos mixtos.
10. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el cual el cuerpo de fundición o rodillo
es sometido a un tratamiento térmico, que comprende un
calentamiento de temperatura ambiente a una temperatura de
tratamiento de 400° hasta 500°C, preferentemente 460° hasta 480°C,
un mantenimiento a esta temperatura durante al menos dos horas,
preferentemente al menos ocho horas, y un enfriamiento a
temperatura ambiente, eventualmente mediante tratamiento de baja
temperatura.
11. Material de fundición para la parte de
trabajo de rodillos de tipo indefinido, es decir la parte de
trabajo o camisa de rodillos de fundición combinada de tipo
indefinido, que contiene los elementos carbono, silicio, manganeso,
cromo, níquel, molibdeno, opcionalmente aluminio, vanadio, siendo
éste último eventualmente substituido parcialmente por niobio y/o
tantalio, hierro residual, elementos accidentales e impurezas
debidos a la fabricación, conteniendo la aleación, en porcentajes
en peso, más de 0,5 hasta 5,9 de vanadio, pudiendo menos del 0,6%
en peso de vanadio ser sustituido por los elementos Nb, Ta,
presentando la misma la siguiente composición:
opcionalmente con 0,002 hasta 0,65 de aluminio,
así como 2,0 hasta 3,5 de carbono con la condición determinante de
que las concentraciones de carbono y de silicio en presencia de
níquel y la suma de las acciones de los elementos generadores de
carburos están ajustadas de tal manera que se constituye una micro
estructura que contiene, en el estado de tratamiento térmico, 1,0
hasta 3,0% en volumen de grafito en partículas con una distribución
de más de 20, pero menos de 100 partículas por mm^{2} de
superficie pulida del material, así como 8 hasta 35% en volumen de
carburos eutécticos, al menos 1% en volumen de vanadio finamente
distribuido, carburos y el resto está formado esencialmente por
martensita.
12. Material de fundición, según la
reivindicación 11, siendo la aleación formada por:
1,8 hasta 4,9% en peso de vanadio,
2,2 hasta 3,1% en peso de carbono, con la
condición determinante de que la micro estructura contiene, en el
estado de tratamiento térmico, 1,2 hasta 2,5% en volumen de grafito
en partículas con una distribución de más de 22, pero máximo 90
partículas por mm^{2} de superficie pulida del material,
10 hasta 25% en volumen de carburos
eutécticos,
2 hasta 20% en volumen de vanadio finamente
distribuido o carburos mixtos de vanadio,
y el resto está formado esencialmente por
martensita.
13. Material de fundición, según la
reivindicación 11 ó 12, conteniendo la aleación, en porcentajes en
peso:
\newpage
hierro residual e impurezas.
14. Material de fundición, según una de las
reivindicaciones 11 a 13, presentando la aleación una relación de
concentración de carbono a silicio inferior/igual a 2,6,
preferentemente inferior/igual a 2,0, y/o conteniendo la aleación
2,6 hasta 2,95% en peso de carbono, y/o conteniendo la aleación 1,2
hasta 1,85, preferentemente 1,4 hasta 1,75% en peso de silicio, y/o
conteniendo la aleación 0,005 hasta 0,04% en peso de aluminio, y/o
conteniendo la aleación 3,5 hasta 4,9, preferentemente 4,15 hasta
4,6% en peso de níquel.
15. Material de fundición, según una de las
reivindicaciones 11 a 14, presentando la aleación una relación de
concentración de molibdeno respecto a cromo inferior a 1,0,
preferentemente inferior a 0,8, y/o conteniendo la aleación, en
porcentaje en peso
y/o conteniendo la aleación 1,8 hasta 3,9,
preferentemente 1,9 hasta 2,95% en peso de vanadio.
16. Material de fundición, según una de las
reivindicaciones 11 a 15, poseyendo el material, en porcentaje en
volumen: 8 hasta 35 de carburos eutécticos y 1 hasta 15 de carburos
de los elementos del grupo 5 del sistema periódico, es decir
vanadio y tantalio, siendo el resto formado esencialmente por
martensita, y/o poseyendo el material, en porcentajes en volumen:
10 hasta 25 de carburos eutécticos y 2 hasta 10 de carburos de los
elementos del grupo 5 del sistema periódico, siendo el resto
formado esencialmente por martensita.
17. Rodillo de fundición combinada de tipo
indefinido, sobre todo para cajas de acabado de trenes de
laminación de banda ancha, así como para trenes "Steckel" y de
chapa gruesa, preferentemente fabricado de acuerdo con el
procedimiento, según las reivindicaciones 1 a 10, que consta de una
parte de trabajo o camisa formada por aleación de fundición,
preferentemente según las reivindicaciones 11 a 16, con poca
tendencia a la adhesión o soldadura del material laminado, y de un
núcleo endurecido de fundición esferoidal, presentando la parte de
trabajo o la camisa un grosor de 10 hasta 150 mm, y teniendo el
material de la camisa una micro estructura formada, esencialmente,
de 1,0 hasta 2,5% en volumen de grafito, estando éste presente de
forma finamente dispersada con un índice de partículas de grafito
de más de 20 partículas por mm^{2} de superficie pulida
metalográfica, de 8 hasta 35% en volumen de carburos eutécticos, de
1 hasta 20% en volumen de carburo de vanadio uniformemente
distribuidos, siendo el resto formado esencialmente por martensita
y elementos presentes debido a impurezas y a la fabricación, y que
tiene una dureza entre 70 y 90 ShC.
18. Rodillo de fundición combinada de tipo
indefinido, según la reivindicación 17, en el cual la parte de
trabajo o material de la camisa posee una estructura, que contiene
1,0 hasta 2,5% en volumen de grafito con la condición determinante
de que su densidad de distribución es como mínimo de 22, pero como
máximo de 100 partículas por mm^{2} de superficie pulida
metalográfica, que contiene carburos eutécticos en un orden de 10
hasta 25% en volumen y 2 hasta 10% en volumen de carburos
especiales de los elementos del grupo 5 del sistema periódico.
19. Rodillo de fundición combinada de tipo
indefinido, según la reivindicación 17 ó 18, en el cual la parte de
trabajo o material de la camisa tiene una composición, en
porcentajes en peso, de:
hierro residual e impurezas, y en el que el
núcleo del rodillo está formado por fundición esferoidal, o el
material de trabajo o de la camisa presenta una composición, en la
cual un elemento o varios elementos están presentes en las
siguientes concentraciones, en porcentaje en peso:
hierro residual e impurezas, y que el núcleo del
rodillo está formado por fundición esferoidal.
20. Rodillo de fundición combinada de tipo
indefinido, según una de las reivindicaciones 17 a 19, en el cual
el material de trabajo o de la camisa contiene, en porcentajes en
peso:
hierro residual e impurezas.
21. Rodillo de fundición combinada de tipo
indefinido, según una de las reivindicaciones 17 a 20, en el cual
la zona de unión entre la camisa o la parte de trabajo y el núcleo
del rodillo está constituido por hierro fundido de baja aleación o
por fundición esferoidal y presenta, en dirección radial, una
resistencia a la flexión (ensayo de flexión en tres puntos)
superior a 600 N/mm^{2}.
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