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低温烧成陶瓷结合剂磨具的优点分析

http://www.momo35.com   来源:中国磨料磨具网  日期:2012/02/02

导读:陶瓷结合剂磨具具有强度较高,耐热性能好,切削锋利,磨削效率高,磨削过程中不易发热和堵塞,热膨胀量小,易控制加工精度,且容易修整等特点……


  陶瓷结合剂磨具具有强度较高,耐热性能好,切削锋利,磨削效率高,磨削过程中不易发热和堵塞,热膨胀量小,易控制加工精度,且容易修整等特点。


  陶瓷结合剂磨具一般用于粗磨、半精磨、精磨及某些产品的抛光,接触面积较大的成型磨削,超硬磨料烧结体的磨削等。陶瓷结合剂磨具广泛应用于机械制造行业,许多重要的机器零件都要进行磨加工。如喷汽发动机,水压汽轮机,一般用螺旋浆,轴承部件等。在这些零件的加工中陶瓷结合剂磨具都发挥了很好的作用。


  陶瓷磨具产量比较大,从过去到现在,陶瓷磨具在磨具总的构成中一直占主要地位,尽管随着结合剂材料种类的不断发展和磨具种类的扩大,陶瓷磨具产量在磨具总产量中呈下降趋势,但仍占有较大比例。因此,有必要对陶瓷结合剂磨具进行进一步的研究,比如降低烧成温度以节约能源,改善磨具的结构与性能等。


  一。低温烧成陶瓷结合剂磨具的优势


  1.低温烧成含义


  就这个问题我从多方面进行了查找,没有一个确定的答案,下面有几个方面的例子:


  通过配方调整使工业硬瓷的烧成温度从1400℃降低到1300℃是低温烧成;日用有骨质瓷外观的陶瓷的烧成温度从约1200℃降低到1050~1080℃是低温烧成;工艺陶瓷烧成温度已经达到850~900℃的低温;低温烧成、低膨胀性陶瓷釉料可在700~1000℃的低温范围烧成,并具有低的膨胀系数(热膨胀系数α≤6.0×10-6/℃)。


  所以一般说来,凡烧成温度有较大幅度降低(60~100℃)且产品性能与通常烧成产品性能相近的烧成方法可称为低温烧成。


  对我们陶瓷磨具来说烧成温度从约1250℃降低到1150℃、1050℃也是低温烧成,但人们习惯上把烧成温度在1000℃以上称为高温烧成,在1000℃以下称为低温烧成。


  2.低温烧成是陶瓷磨具优势与不足


  为什么要进行低温烧成呢?低温烧成是陶瓷磨具的主要有如下优点:


  (1)节约能源,降低烧成燃料成本  陶瓷磨具生产中燃料费用占生产成本的比例很大,一般在30%以上。据有关资料介绍,烧成温度1050℃以下消耗的热能量约相当于1050~1320℃之间消耗的热能量,这就是说高温下单位温升所消耗的热能量比低温下的要高的多,在高温下每降低100℃,节能约1/6.


  同时,低温烧成还可以缩短烧成时间,利于实现快速烧成,对于节约能源具有显着效果。当在同一隧道窑内烧成陶瓷磨具时,根据热平衡计算,单位产品的热量消耗量Q为:


  式中:t-烧成时间,h;


  N-窑内容车数,辆;


  K,A-常数。


  从上式可知,单位制品的热耗与烧成时间呈直线关系,烧成时间每缩短10%,产量可增加10%,单位热耗可降低4%,快速烧成既可以节约燃料,又可以提高产量,使生产成本大幅度降低。


  (2)充分利用原料资源  低温烧成的普通陶瓷磨具,其配方组成中一般都应含有较多的熔剂成分。我国地方性原料含量比较丰富,这些地方性原料或低质原料(如瓷土尾矿、低质滑石等)及某些可以新开发的原料(如硅灰石、透辉石、霞石正长岩、含锂矿物原料等)往往含有较多的低熔点成分,来源丰富,价格低廉,很适合制作低温陶瓷磨具坯料,或者快速烧成陶瓷磨具坯料。因此,低温烧成能充分利用原料资源,并且能促进新型陶瓷磨具原料的开发利用。


  (3)提高窑炉与窑具的使用寿命  陶瓷磨具产品的烧成温度在很大幅度的降低后,可以减少匣钵的破损和高温荷重变形。对于砌窑材料的材质要求也可降低,减少了建窑费用,同时还可以增加窑炉的使用寿命,延长检修周期。在匣钵和耐火棚架支撑产品的材质方面也可降低性能要求,延长其使用寿命。


  (4)缩短生产周期,提高生产效率  低温烧成除了节能和提高产量外,还可以大大地缩短生产周期和显着地提高生产效率。通常的陶瓷磨具仅烧成一道工序就占50~70h,而采用低温烧成时,总的烧成时间不足20h,当其它工序不变时,仅采用快速烧成就可以大大缩短生产周期。


  (5)提高磨具的外观和内在质量,减少烧成废品。


  低温烧成时,白刚玉、碳化硅磨具不会出现发红、铁斑等现象,碳化硅磨具也不易产生"黑心",有利于磨具的商品化。


  陶瓷磨具大都采用1250~1300℃左右的高温烧成。而且对SiC磨具来说,高温烧成高硬度部分容易产生"黑心".为避免"黑心"产生常采用酸碱比较大的烧结结合剂,这时为达到磨具所要求的高硬度,必须引入大量的结合剂,这又将导致磨具组织紧密,磨具磨削时粉尘大,磨削性能不好。低温烧成还可以防止SiC磨粒中铁从FeC3中分解出来,还可以减轻SiC磨粒地分解,从而防止SiC磨具的发红和黑心现象,提高SiC磨具内在及外观质量。


  (6)可防止磨料性能因高温作用而产生的性能劣化


  ① SG及新型聚晶烧结刚玉磨料


  SG磨料,采用引晶凝胶烧结工艺生产而成,是带有革命性的新一代氧化铝磨料,具有比普通白刚玉小几千倍的晶粒尺寸,一个粒度为60目的SG磨粒内实际上有几百万个微粒,其破碎时为沿晶界碎裂,能持续不断地露出新切削刃保持锐利的切削状态。磨粒强度高, 有微破碎性能。具有硬度高,韧性好,锋利度强等优点,与普通刚玉磨料相比,SG具有磨耗比高,保行性强,工件表面加工质量好,砂轮修整量少,磨削效率高等优势性。因此,日本专家增预测未来普通氧化铝磨料将逐渐消失,市场销售的三分之二将被CBN磨料取代,另外三分之一被SG磨料取代。SG砂轮特别适应于航空航天用合金、淬火刚、工具钢、硬铬、硬铸铁等的磨削。因SG磨料价格较贵,通常SG可以根据不同场合的磨削要求,以一定比例同白刚玉(或其他刚玉磨料)进行混合制成砂轮,已达到磨削效果和砂轮成本的最佳组合。在磨削难磨材料和要求高磨削效率及高精度的场合,具有优异的特性, 同时可以大大减少砂轮的修整量,延长砂轮的使用寿命。


  新型聚晶烧结刚玉磨料与SG磨料一样,同属于陶瓷刚玉烧结磨料多晶体,不同的是它能在较小磨削力情况下产生较好的自锐性(如低速研磨盘),当磨料受到磨削力作用时,它的钝化部分会沿着晶面分解,新的锋口随即出现并参与到切削作用中,自锐性的功效得以体现。


  这一类的细晶磨料均为在低温烧结而成,在磨具高温下烧成时,受高温作用会促使晶粒长大而破坏其原有微晶结构和性能。为充分发挥其性能, 开发了专用的高效低温结合剂,使磨具的烧成温度最好在1000℃以下。


  ②特细粒度及有特殊性能要求的的磨具,


  如用于汽车减振器、纺织机械、轴承等行业加工的超精磨石,其磨料粒度在W2.5~W28之间,由于粒度特细,在高温下的分解氧化及反应能力都比较强。为减轻其分解氧化程度,也使磨具满足超精低温加工要求,最好采用低温结合剂。


  ③超硬材料陶瓷磨具


  超硬材料陶瓷磨具(vitrified bond superabrasive tools),是用陶瓷结合剂将超硬磨料粘结成一定的形状,用于磨削、研磨和抛光作用的一类高性能磨加工工具。其中,超硬磨料主要是指金刚石和立方氮化硼(CBN),它们是目前已知材料中最硬的材料,几乎可以用于磨削加工各种材料。陶瓷结合剂具有耐热、耐油、耐水、耐酸碱性好等优点。因此超硬材料陶瓷磨具具有磨削能力强,磨具磨损小;适应多种冷却液下磨削;磨具形状保持性好,磨削精度高;磨具中有较多的气孔,有利于冷却和排屑,磨削时不易堵塞,不易烧伤工件;磨具有较好的自锐性,修整间隔较长,比其它结合剂磨具更容易修整。


  超硬材料陶瓷磨具适合数控磨床和自动化生产线上的各种特种磨床磨削加工要求,能够很好地满足难加工材料和一般材料的高精磨削和高效磨削需要,特别是普通磨料难以加工的材料,超硬材料陶瓷磨具有极其突出的优点。例如,用金刚石陶瓷磨具加工硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、半导体材料、石材、混凝土等非金属材料。用陶瓷结合剂立方氮化硼磨具加工工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金、耐磨钢、高钒高速钢、淬硬钢等黑色金属,能够获得满意的加工效果;如在加工9Cr18合金钢衬套内孔、Cr4Mo4V、W9Cr4 V2 Mo高温轴承钢套圈、高温高速钢刀具等磨削方面取得了良好的加工效果;在磨削加工滚珠丝杠、导轨、齿轮、轴承、曲轴、凸轮轴、钛合金等方面,陶瓷结合剂CBN磨具具有优异的特性。


  金刚石在纯氧中700~800℃可燃烧,在空气中不断加热至850~1000℃时即可燃烧。人造金刚石在大气条件下氧化温度约740~838℃之间。在惰性气体及约1700℃高温下,将全部石墨化。金刚石的氧化主要取决于晶体的完整程度,结晶完整的人造金刚石晶体氧化温度高,非完整晶体氧化温度低。立方氮化硼的热稳定性比金刚石要高一些,约在1200℃左右,结晶不完全,有缺陷的磨粒,耐热性能更差。为避免超硬磨料的氧化与石墨化,避免磨料性能的劣化,超硬磨料陶瓷磨具必须使用低温陶瓷结合剂在较低的烧成温度下制造。


  目前国内外超硬磨料陶瓷磨具大多采用1000℃以下低温烧成。CBN磨具多采用900℃以下低温烧成,金刚石磨具多采用800℃以下低温烧成。


  低温烧成陶瓷磨具生产中容易产生的一些问题:其一是低温烧成使用的低熔结合剂由于引入较多的低熔物,如固体水玻璃,窗玻璃等瘠性物,粘土的含量相对减少,磨具坯体的强度差;其二是磨具强度、硬度不易控制,不易生产高硬度的磨具;另外还有棕刚玉磨具的色泽问题。


  现在有很多新型粘结湿润剂,有比较好的粘结湿润能力,完全可以满足成型料的性能及坯体湿干强度要求;对于低温烧成棕刚玉的色泽,可以通过磨料的改性及磨具的着色达到其高温烧成的外观色泽。


  下面主要谈谈提高磨具成品强度与硬度的问题。


  二。改善低温烧成陶瓷结合剂磨具强度、硬度的途径


  砂轮由磨料、结合剂和气孔三部分组成,要改善磨具的强度与硬度,也只有从这三方面进手。低温烧成陶瓷结合剂磨具的研究也是从这一点着手的。


  1.影响低温烧成陶瓷磨具强度的因素


  强度尤其是抗拉强度是影响陶瓷砂轮使用的关键性因素。若强度不够,砂轮在磨削加工时易产生迥转破裂现象,这将对人身及设备造成危害。


  砂轮的强度与磨料的种类、所用的结合剂种类及性能、磨具的硬度、组织、密度、混料以及热处理工艺,磨具形状、砂轮外径与孔径之比等因素有关。


  陶瓷结合剂是陶瓷砂轮的主要组成部分,直接影响到砂轮的强度等多项性能,如果结合剂的强度不够,就不可能生产出高强度的陶瓷砂轮。


  ①成份对结合剂强度的影响


  理论上,陶瓷结合剂在完全玻化状态时,CaO、BaO、B2O3(含量在15%以下)、Al2O3、ZnO等对强度的提高作用较大,MgO、Fe2O3等对抗拉强度的影响不大。各氧化物对玻璃抗拉强度的提高作用次序为:


  CaO>B2O3>BaO>A12O3>PbO>K2O>Na2O


  使用上面的规律,结合剂的相态要以玻璃相为主,且组成要符合玻璃形成理论。实践证明,当CaO以晶态存在时,会破坏结合剂物相的均匀性,反而会降低结合剂的强度。


  采用粘土-长石-硼玻璃系统(即Al2O3-SiO2-R2O-B2O3系统)为基准陶瓷结合剂。该系统中由于引入了硼玻璃,其耐火度比较低,可以降低结合剂的耐火度,同时由于在结合剂中引入B2O3,在R2O/B2O3摩尔比接近于1时,B2O3中的B将由三价转化为四价,从而使B2O3由[BO3]三角形结构转化为[BO4]四面体结构,[BO4]四面体与[SiO4]四面体联结为三度空间的玻璃网络结构,有利于提高陶瓷结合剂的强度。但是如果结合剂中引入的碱性物质过多或过少时,使R2O/B2O3摩尔比过大或过小,结合剂的强度都会下降。结合剂中R2O/B2O3摩尔比在1~1.4之间,坯体的强度约为15 MPa.结合剂中起催熔作用的各种成份中,加入适量的Li2O或PbO代替Na2O能明显提高结合剂的强度。Li2O加入量在2~3%,PbO加入在3~5%时效果较好。这是由于PbO·2B2O3在熔体中的结构与晶体中的不相同,因此制品在冷却过程中不容易产生析晶现象,使结合剂大部分成为均匀的玻璃相,从而使其强度提高。且Li2O和PbO均有较强的助熔作用,有利于结合剂在烧成温度下熔融,增大了结合剂的反应能力和湿润性,从而增大了烧后制品中结合剂的强度。


  ②添加剂对陶瓷结合剂强度的影响


  在一定粘土、长石、硼玻璃配比的结合剂中,加入不同的添加剂如铝氧粉、石英粉及滑石等对结合剂的强度将产生不同的影响。铝氧粉的加入,增加结合剂的高温粘度,促进结合剂生成高铝硅酸盐玻璃,因此能提高结合剂的强度。但是加入量过多且粒度较粗时,会提高结合剂的耐火度,一般结合剂中Al2O3的含量每增加1%耐火度提高约20℃左右,这会影响结合剂的强度。少量细粒铝氧粉的加入,强度提高比较明显。细粒石英粉的加入,提高结合剂的高温粘度,提高结合剂的耐火度,当SiO2转化为[SiO4]时才有利于提高强度,这时需要有足够的自由氧提供。因此在结合剂配比一定时,加入1~2%石英粉可以略为提高低温烧成陶瓷结合剂的强度,超过3%时还会使强度下降。


  少量的添加物还可以促使结合剂在磨具的烧成过程中产生细小均匀的微晶体,这对提高磨具的强度和硬度,延长磨具的使用寿命非常有利。


  ③结合剂其它性能对陶瓷结合剂强度的影响


  用于低温烧成的陶瓷结合剂由于采用大量不同的催熔原料导致结合剂的流动性不同,流动性过大过小都不利于提高结合剂的强度,试验测试表明,当结合剂的流动在80%~140%时,结合剂的强度比较高。在同样烧成温度下,结合剂耐火度不同,对强度的影响也不同,耐火度低有利于生成液相,使冷却后的结合剂相均匀,从而提高陶瓷结合剂的强度,但是若耐火度过低,烧成温度下易出现流散变形,反而会降低结合剂的强度。


  影响结合剂的强度因素还有结合剂的热膨胀系数,结合剂桥的微观结构等。


  ④结合剂桥的显微结构


  结合剂桥中的微气孔、微裂纹,常常是应力集中的区域。裂纹越长,裂纹越容易扩展,材料强度越低,根据断裂力学理论,要提高结合剂和磨具的强度,必须尽可能消除其中的缺陷和裂纹源。


  结合剂中不均匀及形状不规则的气孔与裂纹的破坏作用一样,因此如果需要大气孔或多气孔,最好通过添加成孔剂实现。


  ⑤烧成工艺


  烧成工艺是决定结合剂中玻璃相量、晶相量、晶粒大小、气孔率及气孔尺寸等的关键。因而对结合剂及磨具的强度的影响也是明显的,因此必须重视和合理制定烧成工艺。


  通过结合剂成分、配方的调整及采用合理的制备工艺,低温烧成陶瓷磨具可以达到较高的强度,试验发现,磨具的强度提高达到40%~50%左右,尤其是SiC陶瓷磨具其工作速度可以由由35m/s 提高到50m/s~60m/s.


  2.影响低温烧成陶瓷磨具硬度的因素


  磨具硬度即结合剂在外力作用下,抵抗磨粒从磨具表面脱落的抵抗力。简单地说为磨粒从磨具表面脱落的难易程度。它是影响磨具耐用度的关键因素。


  影响硬度的因素很多,设计合适的陶瓷结合剂是关键。主要有磨料的粒度大小及磨具的组织,结合剂在磨具中的百分含量及结合剂的性能,磨具的成型密度;采用混合粒度等。一般情况卜,磨料粒度越细,磨具组织越紧密,磨具硬度越高。采用混合粒度后,由于细粒度颗粒的磨料填充在粗颗粒之间的空隙中,使结合剂桥的数目增多,结合剂桥变粗,从而可以提高磨具硬度。


  (l) 使用不同耐火度和流动性的结合剂。


  (2) 对同一耐火度的结合剂采用不同的烧成温度。


  (3) 调整结合剂用量。成型密度一定时,改变结合剂用量。


  (4) 采用混合粒度,调整成型密度。结合剂用量一定时,改变成型密度。


  三。实现低温烧成陶瓷结合剂磨具的措施


  要想实现陶瓷磨具的低温烧成,必须从原料、工艺、窑具等多方面努力。在这里主要讨论降低结合剂的耐火度,设计性能优良的陶瓷结合剂,也就是主要讨论原材料的选择与作用。


  近年来形成了新的烧成理论-"准非反应"烧成机理,即可以在结合剂中添加低熔点原料,利用液相的低温形成推进高温物化反应的进行,将结合剂的熔融温度降到1000℃以下。在结合剂化学成分中,A12O3、SiO2含量增加,一般提高结合剂的耐火度。K2O、Na2O、Li2O、CaO、Mg0等碱性氧化物的含量及B2O3的含量增加,-般会降低结合剂的耐火度。结合剂的颗粒度越细,其分散度越大,结合剂的反应能力会增强,降低结合剂的耐火度。


  陶瓷结合剂磨具从它的发展以来,结合剂的主要原料主要有粘土、长石、石英、滑石、硼玻璃,起助熔作用的只有长石和硼玻璃。


  (1)结合剂配方中,重点考虑加入起熔剂作用的原料


  1)从工艺角度看熔剂原料的作用


  在坯体中添加助熔剂可以增加晶格缺陷,会降低坯体出现液相的温度和促进坯体中莫来石的形成,长石是作为催熔原料而引入结合剂中的,作为熔剂原料,应有较低的熔化温度,较宽的熔融温度范围,比较高的高温液相粘度,以及良好的溶解其它物质的能力。


  2)长石的性质


  长石的物理性能


  名  称


  密度∕(g∕cm3)


  莫氏硬度


  熔点/℃


  外    观


  钾长石


  2.56~2.57


  6~6.5


  1290


  肉红、浅黄、灰白


  钠长石


  2.61~2.64


  6~6.5


  1215


  无色、灰白


  钙长石


  2.70~2.76


  6~6.5


  1552


  无色、白、灰白


  钡长石


  3.37


  >6


  1715


  -


  理论上各种纯长石都有各自的熔融温度(如表),但实际上,尽管长石是一种结晶物质,因其经常是几种长石的互溶物,加之又含有一些石英、云母、氧化铁等杂质,所以长石没有一个固定的熔点,只能在一个不太严格的温度范围内软化熔融,变为玻璃态物质。


  实验证明,长石变为滴状玻璃体时的温度并不低,一般在1220℃以上,并依其粉碎细度、升温速度、气氛性质等条件而异,其一般熔融温度范围为:钾长石1130~1450℃;钠长石1120~1250℃;钙长石1250~1550℃。


  ①改变熔剂原料的品种。如钠长石或钠钾长石替代目前使用的钾长石。钠长石与石英二元系的共熔温度为1070℃,三元系更低,熔融温度范围仅有50℃左右,形成的熔融体粘度小且随温度变化速度快,利于低温烧成。


  ②多元的复合熔剂组分对促进坯体低温烧结有更好的效果,如可以同时使用钾长石、钠长石和钙长石替代现在单一使用的钾长石。钾钠混合型长石( 钾钠长石摩尔比接近1:1) 相比单一钾钠含量的长石,提前60℃出现液相, 更加适合于低温烧成。


  ③选用新品种熔剂原料。


  如霞石(Na3K[AlSiO4]4)或霞石正长石,熔点低、催熔作用较大。使用钠长石、霞石等,以利于降低结合剂的耐火度。透辉石属于硅酸镁-硅酸钙铁类质同象系列中的矿物,透辉石的化学组成为钙、镁、硅的氧化物组成,其化学分子式为cao'mgo'2sio2.透辉石的理论化学组成为:氧化钙25.8%,氧化镁18.5%,二氧化硅55.7%.透辉石具有的熔剂性质也很独特,如其开始变化温度为1170℃,软化温度为1280℃,熔融温度为1290℃,软化温度范围为110℃,熔融温度范围则为10℃。作为优秀的低温快烧原料,引入透辉石的建筑陶瓷制品,其烧成温度极低,仅为980℃-1020℃左右。另外还有含锂矿物(如锂辉石)、含磷矿物、硅灰石、珍珠岩、废玻璃等;


  ④增加结合剂中熔剂料的比例。如合理增加结合剂长石和硼玻璃的量。


  当然这需要对配方进行适当的调整,如增加熔剂用量时,结合剂中Al2O3含量应适当增加。


  (2)在结合剂中加入纯度高的矿化剂。如加入Mg、Ca、Zn、Li、B等的氧化物、碳酸盐、磷酸盐等。如纯度较高的CaCO3做原料,通过适当的配比,高岭土、石灰石( 碳酸钙) 和硅石为基本成分组成的结合剂,可在低于1 000℃的温度下烧制形状尺寸稳定、抗弯强度超过60MPa 高强陶瓷磨具。


  (3)采用低熔点的粘土。和高岭石相比较,伊利石含K2 O较多,而含水较少。如使用娟云母质粘土替代高岭土质粘土,绢云母是在热液或变质作用下形成的细小鳞片状白云母,具有粘土性质,是南方瓷石中的主要粘土矿物之一。娟云母质粘土颗粒较细,从800℃起就开始莫来石化,富含K2O,在较低温度下就容易玻璃化而又不易引起变形,其结晶水含量是各类粘土矿中较低的,易于实现快速烧成。高岭石粘土的耐火度比较高约在1580~1780℃,伊利石类粘土耐火度则比较低,约为1370℃。


  高岭石在500~700℃之间会分解而失去结构水,出现吸热效应。高岭石脱水后还保留硅氧四面体的Si-O网络结构,四面体层仍继续存在,而八面体层中的Al-OH键断裂,Al3+与O2-重新排列组成Al-O键,Al的配位数由6变为4.由此形成偏高岭石。偏高岭石虽然显示出微弱的X-射线衍射图谱,但其电子衍射图和原始的高岭石十分相似。高岭石加热至980~1000℃出现第一个放热效应,但无重量变化,偏高岭石结构破坏,生成有缺陷的Al-Si尖晶石相。尖晶石相继续受热,便从1000℃开始转变为莫来石与方石英,出现第二个放热效应。


  伊利石类矿物在100~200℃出现吸热谷是由于排除层间吸附水而引起的。在500~600℃之间产生吸热谷是由于结构水的排除而引起的,同时晶格破坏。920℃时吸热,剩余羟基逸出,转变成非晶态。960℃放热,非晶态结晶成尖晶石。


  (4)适当降低原料细度。


  低温烧成陶瓷磨具不仅是为了节约燃料,降低能源消耗,解决能源供应紧张问题,提高陶瓷磨具工业整体效益与产品市场竞争能力。更重要的是通过节约能源促进企业技术改造和产品更新换代。节约能源早已被列为我国现代化建设的科技发展方向,因此低温烧成在陶瓷磨具行业中有很好的发展前景。

 
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