金属热处理.docx
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金属热处理
金属熱处理
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
大型铸钢件的热处理炉
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。
白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。
中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。
三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。
这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。
中国出土的西汉（公元前206～公元24）中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。
但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。
1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。
法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。
与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。
1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。
1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。
二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。
一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
金属热处理的工艺
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
真空淬火炉
加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。
电的应用使加热易于控制，且无环境污染。
利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。
采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。
一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。
但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。
根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。
同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。
钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。
差温淬火
整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。
正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。
淬火后钢件变硬，但同时变脆。
为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。
退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。
“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。
为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。
某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。
这样的热处理工艺称为时效处理。
把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。
感应加热淬火
表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。
为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。
表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。
化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。
化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质（气体、液体、固体）中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。
渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火。
化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。
大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。
还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。
例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。
几种常见的热处理概念
（FeC合金相圖）
1.退火
将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。
退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。
所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。
2.正火
正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。
它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。
3.淬火
淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。
淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。
淬火中常用的淬火剂有：
水、油、碱水和盐类溶液等。
而高速钢的淬火剂可以是“风”，所以高速钢又被称为“风钢”。
4.回火
將已經淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。
其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。
回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。
回火多与淬火、正火配合使用。
5.时效处理
为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后,精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。
对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。
6.表面热处理
①表面淬火：
是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。
适用于中碳钢。
②化学热处理：
是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。
按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。
渗碳：
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。
也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗氮：
又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。
其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。
目前生产中多采用气体渗氮法。
氰化：
又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。
它使钢表面具有渗碳与渗氮的特性。
渗金属：
是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。
它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。
生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。
气体与金属的化学反应
一．气体与钢铁的化学反应
1.氧化
2Fe＋O2→2FeO
Fe＋H2O→FeO＋H2
FeC＋CO2→Fe＋2CO
2.还原
FeO＋H2→Fe＋H2O FeO＋CO→Fe＋O2
3.渗碳
2CO→［C］＋CO2
Fe＋［C］→FeC
CH4→［C］＋2H2
4.渗氮
2NH3→2［N］＋3H2
Fe＋［N］→FeN
二．各种气体对金属的作用
氮气：
在≥1000度时会与Cr,CO,Al.Ti反应
氢气：
可使铜，镍，铁，钨还原。
当氢气中的水含量达到百分之0.2—0.3时，会使钢脱碳
水：
≥800度时，使铁、钢氧化脱碳，与铜不反应.
一氧化碳：
其还原性与氢气相似，可使钢渗碳
三．各类气氛对电阻元件的影响
镍铬丝，铁铬铝：
含硫气氛对电阻丝有害
钢的氮化及碳氮共渗
1.钢的氮化（气体氮化）
概念：
氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。
适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。
氮化工件工艺路线：
锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。
由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。
钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850）及耐磨性。
氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多.
2.钢的碳氮共渗：
碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。
目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较是广。
中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。
钢的化学热处理--氧氮共渗
当钢在渗氮的同时通入一些含氧的介质，即可实现其氧氮共渗处理。
处理以后的工件兼有蒸汽处理我渗氮处理的共同优点。
1．氧氮共渗的特点：
氧氮共渗后渗层可分三个区，表面氧化膜，次表层氧化区和渗氮（nitriding）。
表面氧化膜与次表层氧化区厚度相近，一般为2-4μm.氧氮共渗后形成多孔Fe3O4层具有良好的减摩擦性能、散热性能及抗粘着性能。
2．氧氮共渗介质：
氧氮共渗时一般用得较多的是不同浓度的氨水。
氮原子向内扩散形成渗氮层，水分解形成氧原子向内扩散形成氧化层并在工件表面形成黑色氧化膜。
3．氧氮共渗的主要用途：
氧氮共渗主要用于高速钢刀具的表面处理。
共渗时的温度一般为540-590℃，时间通常为1-2小时。
氨水浓度以25%-30%为宜。
排气升温时通氨量应大些，以利于迅速排空炉内空气。
共渗期间通氨量应适中，降温及扩散时应减少氨的滴入量。
热处理炉可采用有1Cr18Ni9Ti不锈钢制成炉罐的井式氮化炉代用。
炉罐应保护密封性（最好采用真空水冷橡胶密封）。
炉顶应有一台密封循环风扇。
炉内保持300-1000Pa的正压.
回火的种类及应用
根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下几种：
（一）低温回火（150－250度）
低温回火所得组织为回火马氏体。
其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。
它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC58－64。
（二）中温回火（350－500度）
中温回火所得组织为回火屈氏体。
其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。
因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC35－50。
（三）高温回火（500－650度）
高温回火所得组织为回火索氏体。
习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。
因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。
回火后硬度一般为HB200－330。
加热缺陷及控制
一、过热现象
我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。
1.一般过热：
加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。
粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。
而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。
过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。
2.断口遗传：
有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。
产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使MnS之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶界面，而冷却时这些夹杂物又会沿晶界面析出，受冲击时易沿粗大奧氏体晶界断裂。
3.粗大组织的遗传：
有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性。
要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。
二、过烧现象
加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。
钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。
过烧组织无法恢复，只能报废。
因此在工作中要避免过烧的发生。
三、脱碳和氧化
钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应，降低了表层碳浓度称为脱碳，脱碳钢淬火后表面硬度、疲劳强度及耐磨性降低，而且表面形成残余拉应力易形成表面网状裂纹。
加热时，钢表层的铁及合金与元素与介质（或气氛）中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生反应生成氧化物膜的现象称为氧化。
高温（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化，具有氧化膜的淬透性差的钢件易出现淬火软点。
为了防止氧化和减少脱碳的措施有：
工件表面涂料，用不锈钢箔包装密封加热、采用盐浴炉加热、采用保护气氛加热（如净化后的惰性气体、控制炉内碳势）、火焰燃烧炉（使炉气呈还原性）
四、氢脆现象
高强度钢在富氢气氛中加热时出现塑性和韧性降低的现象称为氢脆。
出现氢脆的工件通过除氢处理（如回火、时效等）也能消除氢脆，采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆。
当然，实际工作中有人利用此现象来为人服务（如合金的粉碎处理等）.
黄铜的热处理
普通黄铜是铜-锌合金，按其组织可分简单黄铜（也称а黄铜），ω（Cu）为100%-62.4%，和两相黄铜（а+β黄铜），ω（Cu）为56.5%-62.4%。
Zn在Cu中的固溶度随湿度降低而增大，故无热处理强化效果。
经常采用退火处理来改判黄铜的冷加工性能。
黄铜关成品退火后的力学性能及冷变形性能主要取决于晶粒尺寸大小。
黄铜冷加工中间退火温度如下表：
材料牌号
厚度（δ）>5mm
厚度（δ）=1-5mm
厚度（δ）=0.5-1mm
厚度（δ）<0.5mm
H96
560-600
540-580
500-540
450-550
H90、HS700-1
650-720
620-780
560-620
450-560
H80
650-700
580-650
540-600
500-560
H68
580-650
540-600
500-560
440-500
H62、H59
650-700
600-660
520-600
460-530
HFe59-1-1
600-650
520-620
450-550
420-480
HMn58-2
600-660
580-640
550-600
500-550
HSn70-1
600-650
560-620
470-560
450-500
HSn62-1
600-650
550-630
520-580
500-550
HPb63-3
600-650
540-620
520-600
480-540
HPb59-1
600-650
580-630
550-600
480-550
部分形变铝合金的淬火和时效温度的确定
合金牌号
半成品
淬火
时效
最低温度
最佳温度
过烧危险温度℃
时效温度
时效时间
℃
℃
℃
/H
LY12
板材,挤压件
485~490
495~503
505
185~195
6~12
LY16
各类
520~525
530~542
545
160~175
10~16
200~220
8~12
LY17
各类
515
520~530
-
180~195
12~16
LY2
各类
490
495~508
512
165~175
10~16
LD2
各类
510
525±5
596
150~165
6~15
LD5,LD6
各类
500
515±5
545
150~165
6~15
LD7
各类
520
535±5
545
180~195
8~12
LD8
各类
510
525~535
545
165~180
8~14
LD9
挤压件
510
510~530
-
135~150
2~4
LD10
各类
490
500±5
515
175~185
5~8
LC4
包铝板
120~125
24
不包铝板
450
455~480
525
135~145
16
型材
120±5
3
160±3
3
LC6
模锻件
100±5
5
155~160
8~9
450
455~473
145±5
16
LC9
挤压件
450
455~480
520~530
140±5
16
模锻件
110±5
6~8
117±5
6~10
常用淬火介质一般技术要求
淬火介質
一般技术要求
应用范围
水及水溶液
水
清洁、流动（或循环、搅拌）
水温20-40℃
碳素结构钢
碳素工具钢
合金结构钢
铝合金
钛合金
无机物水溶液
按要求选择浓度
常用浓度（质量分数）（5%-15%）
高浓度（质量分散）（≥20%，饱合浓度）
液温20-45℃
循环或搅拌
pH值6.5-8.5
碳素结构钢
合金结构
碳素工具钢
有机物水溶液
按专用产品技术条件及要求选择浓度
低浓度、中等浓度、高浓度（因介质而异）
液温20-50℃
搅拌或热循环
pH值6.5-8.5（或按专门规定）
碳素结构钢
合金结构钢
轴承钢
弹簧钢
碳素工具钢
合金工具钢
铝合金
淬火油
全损耗系统用油
按GB443技术条件
常规油温20-80℃
热油油温＞100℃
循环或搅拌
碳素工具钢（横截面≤6mm）
合金结构钢
合金工具钢
轴承钢
弹簧钢
高速钢
专用淬火油
按工艺要求选择不同淬火油（快速、光亮、等温、真空等淬火油）
技术条件按专用油品规定
油温应低于闪点80-100℃
搅拌或热循环
热浴
盐浴
使用温度允许波动范围±20℃
按要求浴温选择配方
硝盐浴氯离子≤0.3%（质量分散）
硫酸根≤0.5%
pH值6.5-8.5（质量分散）
ω（C）≥0.45%碳素结构钢
碳素工具钢
合金结构钢
合金工具钢
高速钢
碱浴
使用温度允许波动范围±10℃
按要求选择配方
碳酸根≤4%
热处理应力及其影响
热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力,对工件的形状,尺寸和性能都有极为重要的影响。
当它超过材料的屈服强度时,便引起工件的变形,超过材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除。
但在一定条件下控制应力使之合理分布,就可以提高零件的机械性能和使用寿命,变有害为有利。
分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律,
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