大型鍛件的最終熱處理技術(shù)詳細(xì)解說
大型鍛件經(jīng)粗加工進(jìn)行的熱處理稱為最終熱處理。多采用淬火、正火及隨后的高溫回火等工藝,以達(dá)到技術(shù)條件所要求的性能,或?yàn)楹罄m(xù)熱處理過程準(zhǔn)備良好的組織條件。
1 大鍛件淬火、正火時(shí)的加熱
1.1 加熱溫度
為使負(fù)偏析區(qū)在加熱時(shí)達(dá)到淬火或正火溫度,大鍛件的淬火或正火溫度應(yīng)取規(guī)定溫度的上限。對(duì)于碳偏析比較嚴(yán)重的鍛件,可根據(jù)不同錠節(jié)的實(shí)際化學(xué)成分,采用不同的加熱溫度。大鍛件用鋼的淬火加熱溫度如表1 所示。
1.2 加熱方式
大鍛件加熱時(shí),為了避免過大的熱應(yīng)力,應(yīng)該控制裝爐溫度和加熱速度。截面大、合金元素含量高的重要鍛件,多采用階梯式加熱。即在但溫裝爐后按規(guī)定速度加熱,在升溫中間進(jìn)行一次或兩次中間保溫。有些鍛件采用較低的加熱速度而不進(jìn)行中間保溫。只有截面尺寸較小、形狀簡(jiǎn)單、原始?xì)埩魬?yīng)力較小的碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件,才允許高溫裝爐、不限制加熱速度或在低溫裝爐后采用最大功率升溫。高溫裝爐直接加熱時(shí),鍛件中不同部位的升溫曲線,如圖1 7-13所示。可以看出,在這種情況下鍛件表面與中心的最大溫差很大,出現(xiàn)最大溫差時(shí)工件心票
部溫度低于200℃, 鋼仍處于冷硬狀態(tài),易因巨大的溫差應(yīng)力而產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。
▲圖1 Φ800mm 40CrNi鋼坯加熱曲線(爐溫950℃裝爐)
階梯式加熱時(shí)鍛件中不同部位的升溫曲線,如圖2 所示。可以看出,由于采取了中間保溫,在加熱中出現(xiàn)了兩次最大溫差。第一個(gè)出現(xiàn)在心部溫度為≈350℃時(shí),數(shù)值僅為圖1 7-13曲線的1/3。出現(xiàn)第二個(gè)最大溫差時(shí),鍛件心部溫度已升高至≈700°C, 鋼已處于塑性狀態(tài),無開裂危險(xiǎn)。當(dāng)鍛件尺寸很大時(shí),加熱中第一個(gè)最大溫差的數(shù)值仍會(huì)較大,這時(shí)要在≈400°℃等溫一段時(shí)間,待工件表面和心部都升至較高溫度時(shí)再繼續(xù)加熱。這樣可以減小第一個(gè)最大溫差的數(shù)值和使其在更高些的溫度范圍出現(xiàn)。
1.3 升溫速度
鍛件在加熱過程的低溫階段,升溫速度要控制在30~70°C/h 。經(jīng)中間保溫后,整個(gè)截面上塑性較好,升溫速度可以快些,一般取50~100°℃/h 。1.4 均溫與保溫
當(dāng)加熱爐主要測(cè)溫儀表(一般臺(tái)車式爐指爐頂測(cè)溫儀表,井式爐指各段爐壁儀表)指示爐溫到達(dá)規(guī)定溫度時(shí),即為均溫開始,至目測(cè)工件火色均勻并與爐墻顏色一致時(shí)為均溫終了。為使工件心部達(dá)到規(guī)定溫度、完成奧氏體轉(zhuǎn)變并使其均勻化,鍛件在均溫后尚需進(jìn)行保溫。保溫時(shí)間根據(jù)工件有效截面確定。對(duì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與低合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件,保溫時(shí)間按0.6~0.8h/100mm計(jì)算。對(duì)中、高合金鋼鍛件,按0. 8~1h/100mm計(jì)算。各種形狀鍛件有效截面計(jì)算方法見表2 。
▼表2 有效截面計(jì)算方法
2 大鍛件淬火、正火時(shí)的冷卻
在大鍛件淬火、正火冷卻過程的工藝參數(shù)中最關(guān)鍵的是選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s速度和終冷溫度。對(duì)于性能要求很高的高合金鋼大鍛件,必須選擇能夠保證工件心部奧氏體完全躲過珠光體和上貝氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度,以使鍛件沿整個(gè)截面獲得下貝氏體或下貝氏體加馬氏體組織。終冷溫度的選擇主要取決于鍛件的冶金質(zhì)量。對(duì)于夾雜物、氣體含量都很少,化學(xué)成分十分均勻的優(yōu)質(zhì)電站大鍛件終冷溫度可選擇為40~60°C或60~80℃。對(duì)于冶金質(zhì)量較差的鍛件,終冷溫度可提高至200~250℃。在終冷溫度下的保持時(shí)間,應(yīng)以使鍛件心部完成所規(guī)定的組織轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)。對(duì)于大型碳鋼和低合金鋼鍛件,冷卻后獲得下貝氏體的要求有時(shí)難于達(dá)到。這時(shí)應(yīng)將心部奧氏體過冷到防止出現(xiàn)粗大珠光體和鐵素體的溫度,對(duì)低合金鋼鍛件終冷溫度可選為400~450℃; 碳鋼件可選為450~500°C。對(duì)照相應(yīng)鍛件的冷卻曲線和所用鋼種的過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線,可獲得鍛件尺寸、冷卻速度、冷卻時(shí)間、終冷溫度以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與性能水平等方面的完整資料。從圖2 所示實(shí)例可以看出,為使鍛件心部無珠光體,應(yīng)保證鍛件心部冷卻速度。
▲圖2 3.5%Ni-Mo-V鋼奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變與
不小于υ1終冷溫度不高于450°C。如要使鍛件心部獲得馬氏體組織,必須保證鍛件心部冷卻速度不低于υ2, 且應(yīng)過冷到300℃以下。在確定終冷保持時(shí)間時(shí),必須充分考慮組織轉(zhuǎn)變熱效應(yīng)的影響。
大鍛件常用的冷卻方式有:靜止空氣冷卻、鼓風(fēng)冷卻、噴霧冷卻、油冷、水冷、噴水冷卻及水淬油冷、空-油冷卻(延遲淬冷)、水-油雙介質(zhì)淬火、油-空雙介質(zhì)淬火等。這些冷卻方式并不能完全滿足大鍛件冷卻的要求,還有待于尋求新的淬火介質(zhì)和冷卻方法。對(duì)形狀復(fù)雜、截面變化較大的工件,為使冷卻均勻和減小淬火應(yīng)力,有時(shí)采用工件在爐內(nèi)稍降低溫度后再出爐淬火的方法。水冷工件經(jīng)高溫回火后的強(qiáng)度、塑性、韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度等力學(xué)性能都比油冷好(特別是心部性能)。因此,在不引起缺陷擴(kuò)大的前提下,應(yīng)采用水冷。但是這時(shí)工件截面上的最大溫差可達(dá)750~800°℃, 如鍛件冶金質(zhì)量不好,巨大的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使工件產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。圖3~圖6是鍛件的不同截面水冷曲線。
▲圖3 Φ300×2000 9Cr鋼鍛件水冷曲線(水溫20℃)
▲圖4 Φ450 42SiMn鋼鍛件水冷曲線
▲圖5 Φ920 NiCrMoV鋼鍛件水冷曲線
▲圖6 Φ1350 NiMoV鋼鍛件水冷曲線
在判斷鍛件在淬火冷卻中能否采用水冷時(shí),首先應(yīng)考慮鍛件化學(xué)成分和基礎(chǔ)性能的影響,按式(1) 計(jì)算出鍛件的碳當(dāng)量CE。 (1)
當(dāng)計(jì)算結(jié)果(成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:1) 鍛件中正偏析區(qū)的碳當(dāng)量CE≤0.75%,正偏析區(qū)的碳含量≤0.31%時(shí),鍛件可以毫無危險(xiǎn)地采用水淬。2) 鍛件中正偏析區(qū)的碳當(dāng)量CE=0.75%~0.88%, 正偏析區(qū)的碳含量=0.32%~0.36%時(shí),鍛件可以進(jìn)行水淬,但須特別小心。3) 鍛件中正偏析區(qū)的碳當(dāng)量CE≥0. 88%,正偏析區(qū)的碳含量≥0.36%時(shí),若無特殊的指示與指導(dǎo),禁止水淬。隨著大鍛件用鋼碳含量的逐步降低和電渣重熔、鋼包精煉、真空除氣、真空脫氧等先進(jìn)冶煉工藝的采用,大鍛件的冶金質(zhì)量有了明顯提高,承受較大淬火應(yīng)力而不引起開裂的可能性有所增加,應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大急冷和深冷的應(yīng)用。
油冷時(shí)鍛件中最大溫差比水冷小,一般不超過500℃。圖7~圖10 是不同截面鍛件的油冷冷卻曲線。采用空-油冷卻(延遲淬冷)可顯著降低工件內(nèi)外溫差(見圖11 ) 。
▲圖8 Φ460×2000 50Mn2鋼鍛件油冷曲線
▲圖11 Φ600 34CrNiMo鋼鍛件空冷(Ⅰ)
隨后油冷(Ⅱ)的冷卻曲線
空冷或鼓風(fēng)冷的冷卻能力比水冷、油冷小得多,故在一定程度內(nèi)可避免鍛件內(nèi)部缺陷的擴(kuò)大,但空冷時(shí)鍛件的性能潛力不能充分發(fā)揮。圖12 、圖13 是大鍛件的空冷曲線。
▲圖13 Φ950 28CrNiMoV7.4鋼鍛件空冷曲線
▲圖14 Φ400 40Cr鋼鍛件現(xiàn)在水
水-空-水、油-空-油雙介質(zhì)淬火方式,可使心部熱量向外層傳播,以減少鍛件截面上的溫差,使冷卻比較均勻,降低淬火應(yīng)力。圖16 所示為水-空雙介質(zhì)淬冷曲線。工件在空氣中預(yù)冷 12min 后,隨即水冷 2min、空冷3min 再交替冷卻至35min, 然后空冷。
▲圖16 Φ870 34CrMoA鋼轉(zhuǎn)子
鍛件水-空雙介質(zhì)淬火曲線
噴霧冷卻是利用壓縮空氣與壓力水的共同作用,使之成為細(xì)霧狀向工件表面噴射的冷卻方法。噴水冷卻是將高壓水直接向工件表面均勻噴射的冷卻方法。在噴射冷卻時(shí),工件要旋轉(zhuǎn),以使冷卻均勻。這種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是在冷卻過程中可以改變風(fēng)量、水量及水壓,以達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻速度的效果,使在不同冷卻階段得到不同的冷卻速度。對(duì)有階梯的工件,在不同截面處可以調(diào)節(jié)得到不同的冷卻能力,使之獲得相同的冷卻速度。噴水冷卻的冷卻能力很強(qiáng)烈,高壓水還可以猛烈沖刷工件加熱時(shí)表面形成的氧化皮。圖17 所示為噴霧冷卻曲線,圖18 所示為噴水冷卻曲線。件在鼓風(fēng)和噴霧冷卻時(shí)的冷卻曲線
▲圖18 Φ1800 Cr-Ni-Mo-V鋼鍛件噴水冷卻曲線
冷卻時(shí)間是指工件在冷卻介質(zhì)中停留的時(shí)間。冷卻時(shí)間過短,會(huì)達(dá)不到要求的性能,而冷卻時(shí)間過長(zhǎng)、終冷溫度過低,會(huì)增大淬裂的危險(xiǎn)性。所以,確定適當(dāng)?shù)睦鋮s時(shí)間及終冷溫度,是大鍛件熱處理工藝中的一個(gè)重要問題。在生產(chǎn)中的淬火冷卻主要是控制冷卻時(shí)間,而工件表面的終冷溫度僅作為參考。冷卻時(shí)間一般根據(jù)實(shí)測(cè)的各種冷卻曲線,理論計(jì)算以及長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來確定。必須注意,即使相同截面的工件,在相同的淬火介質(zhì)及冷卻時(shí)間內(nèi)冷卻,也會(huì)由冷卻設(shè)備容量、淬火介質(zhì)的溫度、介質(zhì)循環(huán)條件及工件在介質(zhì)中的移動(dòng)方式等情況不同,造成工件心部溫度的顯著差別。所以,在規(guī)定冷卻時(shí)間的同時(shí),還要嚴(yán)格控制冷卻條件。圖19 和圖20 所示為不同直徑鋼件在水冷、油冷、空冷時(shí),心部冷卻到450℃和300°C 時(shí)所需的冷卻時(shí)間(淬火溫度取為860°C, 淬火介質(zhì)溫度取為40℃) , 曲線是由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理而得到的。表3 列出一些具體冷卻工藝可供參考,生產(chǎn)中根據(jù)工件形狀、材質(zhì)及生產(chǎn)條件,在制訂具體冷卻工藝時(shí),作適當(dāng)調(diào)整。▼表3 具體冷卻舉例
▲圖20
另外,也可采用簡(jiǎn)化公式來估計(jì)冷卻時(shí)間
工件正火時(shí),一般規(guī)定表面終冷溫度為:碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼不高于250~40°℃; 高、中合金結(jié)構(gòu)鋼、模具鋼,不高于200~350°C。
3 大鍛件的回火
大鍛件回火的目的是消除或降低工件淬火或正火冷卻時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,得到穩(wěn)定的回火組織,以滿足綜合性能要求。在回火過程中還可繼續(xù)去氫和使氫分布均勻,對(duì)降低或去除氫脆的影響是有利的。大鍛件淬火后應(yīng)及時(shí)回火,規(guī)定時(shí)間間隔如下:(1) 碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件直徑不大于700mm者,小于3h; 直徑大于700mm者小于2h。(2) 中、高合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件,不超過2h。(3) 水淬、水淬油冷鍛件,模具鋼、軋輥鋼及其他重要鍛件,均應(yīng)立即回火。3.1 回火溫度的選擇
大鍛件的回火溫度應(yīng)根據(jù)對(duì)鍛件性能、組織的要求和每個(gè)鍛件的具體情況確定。用小試樣作出的回火溫度與性能之間的關(guān)系曲線,只能作為選擇大鍛件回火溫度時(shí)的參考。表4 是各種大鍛件用鋼的硬度與回火溫度間的關(guān)系,表5 是屈服強(qiáng)度與回火溫度間的關(guān)系,可作為選擇回火溫度的依據(jù)。但應(yīng)指出,由于各工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不同,同一鋼號(hào)鍛件的回火溫度不必完全一致。
▼表4 各種大鍛件用鋼的硬度與回火溫度的關(guān)系
▼表5 根據(jù)屈服強(qiáng)度選擇回火溫度參數(shù)表
3.2 回火中的加熱與冷卻
高合金鋼大鍛件淬冷終了時(shí),心部尚有未充分轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體,在回火入爐溫度下停留時(shí),表面溫度升高,心部硬度則繼續(xù)降低,使心部尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體繼續(xù)分解。所以,在回入爐的低溫下長(zhǎng)時(shí)間停留,實(shí)際上是心部繼續(xù)冷卻的過程。回火入爐溫度應(yīng)根據(jù)鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖來確定,一般Ms點(diǎn)附近,停留時(shí)間應(yīng)保證過冷奧氏體得到充分轉(zhuǎn)變。碳鋼和低合金鋼鍛件在淬火冷卻中,過冷奧氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)基本完成,回火入爐后的只是為了減少鍛件中的內(nèi)外溫差,以降低鍛件中的內(nèi)應(yīng)力。回火加熱時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力與淬火后的殘留應(yīng)力疊加,可促使工件中的缺陷擴(kuò)大所以回火加熱速度要比淬火加熱速度低一些,一般控制在30-100°C/h。高溫回火時(shí),爐測(cè)溫表到溫后即為均溫開始,當(dāng)鍛件表面火色均勻且與爐膛顏色一致時(shí)即為均溫終了。低溫回火時(shí)無法判斷火色,應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),選擇足夠長(zhǎng)的回火時(shí)間。均溫結(jié)束即為保溫開始。實(shí)際上,保溫時(shí)心部繼續(xù)升溫到回火溫度,并完成回火轉(zhuǎn)變過程。淬火后的回火保溫時(shí)間可選為≈2h/100mm, 而正火后的回火為≈1.5h/100mm.大鍛件高溫回火后快冷,會(huì)引起大的殘留應(yīng)力,其數(shù)值主要取決于該鋼的彈-塑性轉(zhuǎn)變溫度(碳鋼和低合金鋼為400-450°C, 合金鋼為450-550°C) 以上階段的冷卻速度。為了減小鍛件中的殘留應(yīng)力,應(yīng)盡量降低鍛件在高溫階段的冷卻速度。為了縮短回火冷卻時(shí)間以提高生產(chǎn)率,鍛件在彈-塑性轉(zhuǎn)變溫度以下區(qū)域可以采取較快的冷卻速度。調(diào)質(zhì)大鍛件中的殘留應(yīng)力是熱殘留應(yīng)力,沿截面的分布規(guī)律是:表面受壓,心部受拉,由中心到表面近似為一條不對(duì)稱的余弦曲線,中心處的輸向應(yīng)力約比切向應(yīng)力大一倍。必要時(shí)可根據(jù)鍛件用鋼的物理參數(shù)與回火工藝過程對(duì)應(yīng)力分布曲線進(jìn)行定量計(jì)算。當(dāng)只須控制鍛件表面殘留應(yīng)力時(shí),可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算: (3)
通常對(duì)重要鍛件規(guī)定為,經(jīng)高溫回火后工件表面的殘留應(yīng)力值不得高于其屈服強(qiáng)度的10% 或40MPa, 即可由上式算出在高溫回火時(shí)應(yīng)當(dāng)采取的冷卻速度。用對(duì)回火脆性敏感的鋼材制造大鍛件時(shí),為獲得較高的沖擊韌度,要求回火后快冷。但這將引起大的殘留應(yīng)力。在不引起回火脆性的溫度下(450℃) 再進(jìn)行補(bǔ)充回火,可使殘留應(yīng)力降低50%左右。為了保證沖擊韌度符合要求而殘留應(yīng)力又小,大鍛件應(yīng)采用對(duì)回火脆性不敏感的碳鋼或添加:(Mo)為0.25%~0.5%或w (W) 為0.5%-1%的合金鋼來制造,并盡量降低鋼中砷和鍋等雜質(zhì)的含量。采用合金化的方法來消除大鍛件用鋼的第二類回火脆性,是有局限性的,關(guān)鍵在于提高鋼液的純凈度,盡量減少有害雜質(zhì)磷、砷、硒、銻的含量及其在晶界上的偏析程度。
4 大鍛件最終熱處理工藝舉例
一般常用大鍛件用鋼,按其導(dǎo)熱性能,碳化物溶解的難易程度以及對(duì)終冷溫度的要求,可劃分為以下四組:第一組 碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于0.45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼;第二組 碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于0. 45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼;一般大型鍛件的第二熱處理工藝規(guī)范可歸納為如表6 和表7 所列。各組按工件截面大小具體選定工藝參數(shù)。對(duì)截面更大、合金元素很高的重要鍛件應(yīng)參考專門著作慎重制定。
▼表6 大型鍛件最終熱處理工藝規(guī)范
(適用于煤氣加熱爐)
▼表7 1Cr13、2Cr1、Cr5Mo大型鍛件熱處理工藝規(guī)范
5 大鍛件熱處理后的力學(xué)性能
常用的不同截面的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼大型鍛件,在調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能列表8 和表9 ,不銹鋼和耐酸鋼鍛件熱處理后的力學(xué)性能見表10。各表中的性能數(shù)據(jù)皆指軸類鍛件在距表面1/3半徑處切取縱向試樣的性能。
▼表8 優(yōu)質(zhì)碳素鋼鍛件熱處理后力學(xué)性能
▼表9 大型合金鋼鍛件熱處理好的力學(xué)性能
▼表10 不銹鋼和耐酸鋼熱處理后的力學(xué)性能
6 大鍛件的化學(xué)熱處理
隨著對(duì)大型重載齒輪、大型齒輪軸及其他大型耐磨、耐壓件使用壽命和承載能力要求的不斷提高,化學(xué)熱處理(主要是滲碳和滲氮)在大鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛,并已取得成效。6.1 大型重載齒輪的深層滲碳
6.1.1 主要技術(shù)要求
為了防止齒輪表面硬化層被壓碎和防止齒面剝落,大型重載齒輪的滲碳層深度應(yīng)為齒輪模數(shù)的0.15~0.25倍,并保證在硬化層過渡區(qū)中切應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之比不大于0.55。為使齒輪具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度,齒輪表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.75%~0.95%之間。經(jīng)最終熱處理后,對(duì)齒輪表面硬度要求分為4級(jí):58~62HRC、55~60HRC、54~58HRC和52~56HRC, 心部硬度為30~46HRC.滲碳層中的碳化物顆粒應(yīng)接近球形、直徑小于1um并且比較均勻。滲層與心部間過渡平緩,自w (C) 為0.4%處至心部組織的深度應(yīng)占整個(gè)滲碳層的30%。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間滲碳處理后心部晶粒度不應(yīng)低于6級(jí)。6.1.2 典型工藝
(1) 在大型滴注式氣體滲碳爐中滲碳,典型工藝如圖20 所示。▲圖21 20CrNiMo鋼人字齒輪的滲層滲碳工藝曲線[經(jīng)球化退火、淬火、回火處理后達(dá)到滲層深6mm,齒面硬度75~77HS(56~57HRC)]
(2) 在普通臺(tái)車爐、井式爐、罩式爐中采用涂覆滲碳,典型工藝如圖22 所示。57~60HRC、碳化物級(jí)別1~2級(jí))
滲層深度與滲碳擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系,如式(4 ) 所示:
(4)
6.2 大鍛件的滲氮處理
對(duì)于輕載、高速齒輪,形狀尺寸精度要求很高的齒輪和難于加工磨損件,滲氮處理是一種比較理想的工藝。典型工藝如圖23、圖24 所示:▲圖23 42CrMo鋼大型缸體內(nèi)孔氣體滲氮工藝
要求:滲氮層深0.4-0.45mm,表面硬度530HV10 脆性1級(jí)▲圖24 35CrMo轉(zhuǎn)盤齒輪離子滲氮工藝
≥500HV 脆性1級(jí),脈狀組織<1級(jí)
end 文章來源:每天學(xué)點(diǎn)熱處理
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