第一篇金属的液态成形Word文件下载.docx
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球墨铸铁及各种合金铸铁,“以铸代锻,以铁代钢”;
在铸造设备方面:
机械化、自动化的高压造型生产线;
在新工艺、新技术方面:
各种特种铸造方法及精密铸造方法广泛应用。
代表性范例:
河南安阳武官村晚商遗址出土的司母戊大方鼎(重达875kg)、湖北大冶春秋铜矿遗址、湖北随县出土的战国曾侯乙编钟(一套共65件、总重2567kg)、
山西太原晋祠铁人(北宋)河北沧州铁狮子(后周公元953年)重约40吨
铜爵(商)四羊樽(商)铜斝(jia)(商)
《吕氏春秋》、《周礼·
考工记》、《天工开物》(明代宋应星)、《梦溪笔谈》(北宋沈括)
1.1液态成形基础
铸造生产中很少采用纯金属,而是使用各种合金。
铸造合金除应具有符合要求的机械性能和物理化学性能外,还必须考虑其铸造性能。
液态合金充填铸型的过程,简称充型。
合金的充型能力即是其铸造性能。
合金的铸造性能包括流动性、收缩性、吸气性、偏析等。
铸造性能是保证铸件质量的重要因素,是衡量各种铸造合金优异的重要标志。
如果合金熔化时,不易氧化,不易吸收气体;
浇注时液态合金容易充满型腔;
凝固时铸件不易产生缩孔,且化学成分均匀;
冷却时铸件不发生变形和开裂,这样的铸造合金就被认为具有良好的铸造性能,易获得完整而优质的铸件。
1.1.1合金的流动性
1.1.1.1流动性的概念
流动性是指液态(熔融)金属的流动能力。
它是影响液态金属充型能力的主要因素之一,也是合金的主要铸造性能之一。
合金流动性越好,充型能力越强,越容易获得轮廓细致清晰、薄壁而形状复杂的铸件;
同时,有利于非金属夹杂物和气体的上浮排除;
还有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩。
流动性较差的铸造合金则易产生浇不足、冷隔及夹渣、气孔等铸造缺陷。
1.1.1.2合金流动性的测定
合金的流动性可用螺旋试样测定法进行测定。
将液态合金浇入螺旋线形的铸型型腔中,所得的螺旋试样的长度就代表其流动性的好坏。
显然,在相同的铸型及浇注条件下,浇出的螺旋试样越长,则表示该合金的流动性越好。
在常用铸造合金中,铸铁和硅黄铜的流动性最好,铝硅合金次之,铸钢最差。
表1-1几种铸造合金的流动性
合金种类
铸型种类
浇注温度/℃
螺旋线长度/mm
铸铁:
wC+Si=6.2%
5.9%
5.2%
5.0%
4.2%
砂型
1300
1800
1000
800
600
铸钢:
wC=0.4%
1600
1640
100
200
铝
硅铝明
镁合金
金属型
(预热300℃)
680
680~720
700
400
700~800
400~600
锡青铜ZQSn10-2
ZQSn3-7-5-1
硅黄铜
1040
980
1100
420
195
1.1.1.3影响流动性的因素
影响合金流动性的因素很多,其中化学成分的影响最为显著。
⑴化学成分
合金的结晶特性对流动性影响很大:
结晶温度范围窄的合金流动性好,故纯金属和共晶成份合金流动性好;
结晶温度范围宽的合金流动性差,故远离共晶成分的亚共晶和过共晶合金流动性差。
C、Si含量越高,越接近共晶成分,流动性越好;
P也可提高流动性,但易引起冷脆;
S、Mn则会降低流动性。
⑵浇注条件
①浇注温度
在一定范围内,浇注温度越高,合金保持液态的时间越长,且使金属液粘度降低,其中的杂质易于上浮或溶解,减少了内摩擦。
同时液态合金过热度越高,传给铸型的热量越多,铸型与金属液的温差越小,故合金流动性好,充型能力强。
但浇注温度过高,液态合金收缩增大,吸收气体多,氧化严重,流动性反而会下降,铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。
因此在保证流动性的前提下,浇注温度应尽可能低一些。
但对于形状复杂的薄壁件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度,以防止浇不足、冷隔等缺陷。
生产中每种合金都有一定的浇注温度范围:
铸钢为1520℃~1620℃,铸铁为1230℃~1450℃,铝合金为680℃~780℃。
薄壁复杂件取上限,厚壁件取下限。
②充型压力
液态合金在流动方向上所受压力越大,其流动性越好,充型压力也越强。
砂型铸造时,可采用增加内浇口截面、直浇口高度或提高浇包位置等方法,以提高充型压力,增加合金流动性;
也可采用压力铸造、低压铸造、离心铸造等人工加压的方法,提高充型能力,增加合金流动性。
③浇注系统的结构
浇注系统的结构越复杂,流动的阻力就越大,流动性就越低。
故在设计浇注系统时,要合理布置内浇道在铸件上的位置,选择适当的浇注系统结构和各部分(直浇道、横浇道和内浇道)的横截面积。
⑶铸型填充条件
液态合金充型时,铸型阻力将影响合金流动速度,而铸型与合金之间的热交换又将影响合金保持液态的时间。
因此,铸型的下列因素对充型能力有显著影响:
①铸型蓄热能力(导热性)
铸型材料的导热系数和比热越大,对液态合金的激冷能力越强,合金充型能力越差,流动性越差。
例如,金属型中的流动性比在湿砂型中低20%~25%,而湿砂型中的流动性比干砂型中低10%~20%。
②铸型温度(冷却速度)
在金属型铸造和熔模铸造时,可将铸型预热。
由于减少了铸型和液态合金之间的温差,减缓了冷却速度,故增加了合金流动性,提高了充型能力。
③铸型透气性
在高温液态合金的作用下,型腔中的气体膨胀,型砂中的水分汽化,煤粉和其它有机物的燃烧,将产生大量气体。
若铸型的透气性差,则型腔中气体压力增加,会阻碍液态合金充型。
⑷铸件结构
铸件结构如壁厚、尺寸大小、复杂程度等,对充型能力也有较大影响。
当铸件壁厚过小,厚薄部分过渡面多,有大的水平面等结构时,都会降低金属液的流动性。
另外,液态合金的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对流动性都有影响。
1.1.2铸件的凝固与收缩
浇入铸型型腔的液态金属在冷凝过程中,如果其液态收缩和凝固收缩得不到补充,铸件将产生缩孔或缩松缺陷。
为防止上述缺陷产生,必须合理地控制铸件的凝固过程。
1.1.2.1铸件的凝固方式及其影响因素
⑴凝固方式
在铸件凝固过程中,其断面上一般存在着液相区、凝固区和固相区三个区域。
其中,对铸件质量影响最大的是液固两相共存的凝固区的宽窄。
①逐层凝固
纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在凝固区,故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。
随着温度的下降,固体层不断加厚,液体层不断减少,直达铸件中心。
这种凝固方式称为逐层凝固。
②糊状凝固
如果合金的结晶温度范围很宽,且铸件的温度分布较为平坦,则在凝固的某段时间内,铸件表面并不存在固体层,而是液、固并存的凝固区贯穿整个断面。
由于这种凝固方式与水泥的凝固类似,即先呈糊状而后固化,故称为糊状凝固。
③中间凝固
大多数合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固。
铸件质量与其凝固方式密切相关。
一般说来,逐层凝固时,液态合金充型能力强,便于防止缩孔、缩松等铸造缺陷;
糊状凝固的铸件则容易得到粗大疏松的组织。
⑵影响铸件凝固方式的因素
影响凝固方式的因素主要是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度
①合金的结晶温度范围
合金的结晶温度范围越小,凝固区域越窄,越趋向于逐层凝固。
如砂型铸造时,低碳钢因结晶温度范围窄为逐层凝固,而高碳钢因结晶温度范围宽为糊状凝固。
②铸件的温度梯度
当合金结晶温度范围一定时,凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度梯度。
如果铸件的温度梯度由小变大,则其对应的凝固区会由宽变窄。
综上所述,趋向于逐层凝固的合金(如灰口铸铁、铝硅合金等)便于铸造,应尽量选用;
当必须采用倾向于糊状凝固的合金(如锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)时,可考虑采用适当的工艺措施(如选用金属型铸造),以减小其凝固区域。
1.1.2.2铸件的收缩及其影响因素
⑴收缩的定义:
收缩是指铸造合金在冷却凝固过程中所产生的体积或尺寸缩小的现象。
收缩是金属及合金的物理特性。
合金的收缩会给铸造工艺带来许多困难,还会导致铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形等铸造缺陷。
⑵收缩的过程及收缩率
液态金属从浇注温度冷却到室温的收缩过程分为以下三个阶段:
表1-2合金收缩的三个阶段
液态收缩(T>T液)
是产生缩孔、缩松的基本原因
凝固收缩(T液>T>T固)
固态收缩(T<T固)
是产生内应力、变形和裂纹的基本原因
①液态收缩阶段
从浇注温度到开始凝固温度之间的收缩,即液相线以上的收缩。
此阶段液态金属不发生状态和组织变化,收缩由温度下降引起,所以过热度越高,液态收缩率越大。
表现为型腔内金属液面的降低。
②凝固收缩(结晶收缩)阶段
从开始凝固温度到终止凝固温度之间的收缩,即液相线到固相线之间的、液固共存的收缩。
收缩量包括:
由液态转变为故态的体积收缩;
从液相线到固相线温度下降引起的体积收缩;
组织变化引起的体积收缩。
合金的结晶温度范围越大,凝固收缩率越大。
③固态收缩阶段
从终止凝固温度到室温之间的收缩,即固相线以下的收缩。
此阶段的收缩是由温度下降引起的体积收缩。
对于凝固后有相变的合金,相变时也会引起体积变化。
以上三种收缩的总和即是合金的总体积收缩。
合金的液态收缩和凝固收缩能引起铸件体积的变化,常用单位体积收缩量(即体收缩率)来表示,是造成缩孔、缩松的根本原因;
而合金的固态收缩还会引起铸件外形尺寸的变化,常用单位长度上的收缩量(即线收缩率)来表示,是造成铸件内应力、变形和裂纹的根本原因。
铸造合金由高温t0降到低温t时的体收缩率和线收缩率可表示如下:
式中V0、L0——合金在t0时的体积(cm3)和长度(mm);
V、L——合金在t时的体积(cm3)和长度(mm)。
表1-3几种常见合金的收缩率
材料种类
线收缩率/%
体收缩率/%
灰口铸铁
1
5~8
铸造有色金属
1.5
5
铸造碳钢
2
10~14
⑶影响铸件收缩率的因素
①合金种类
不同合金具有不同的收缩率。
常用铸造合金中,铸钢的收缩率最大,白口铸铁次之,灰口铸铁最小。
灰口铸铁收缩很小是由于其中大部分碳以石墨形式存在,石墨的比容大,在结晶过程中石墨析出所产生的体积膨胀部分抵消了合金的凝固收缩。
通常,每析出1%石墨,铸件体积将增加2%。
②化学成分
不同元素对石墨化的影响不同。
促进石墨化的元素含量越多,析出的石墨越多,收缩越小;
阻碍石墨化的元素越少,则收缩越大。
③浇注温度
合金浇注温度越高,过热度越大,液态收缩量增加。
通常,每下降100℃,体积收缩量约为1.6%。
所以生产中常采用“高温出炉,低温浇注”的措施来减小收缩量。
④铸造工艺
铸型条件、铸型结构等对收缩量也有较大影响。
铸件在铸型中冷却时,不仅由于各部分冷却速度不同,收缩彼此制约,产生阻力,而且还会受到铸型和型芯的阻力,所以铸件的实际收缩量小于自由收缩量。
铸件的形状、尺寸和工艺条件不同,实际收缩量也不相同。
1.1.2.3铸件中缩孔、缩松的形成及其防止措施
缩孔和缩松是因合金收缩引起的常见铸造缺陷。
⑴缩孔、缩松的形成原因及过程
铸件凝固过程中,由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩,致使铸件最后凝固的地方出现了一些孔洞。
这些孔洞可按大小和分布情况分为缩孔和缩松,大而集中的孔洞称为缩孔,小而分散的孔洞称为缩松。
①缩孔:
在铸件的上部或最后凝固部位形成的、容积较大且呈倒锥形的孔洞。
通常隐藏在铸件内部,但有时呈明显凹坑,暴露在铸件上表面。
缩孔形成的原因是合金的液态收缩和凝固收缩未能得到液态金属的补充所致。
缩孔产生的条件是:
金属在恒温或很窄的温度范围内,以逐层凝固方式结晶。
纯金属和共晶成分的合金易产生集中缩孔。
②缩松:
铸件中分散在某一区域内的细小缩孔。
缩松形成的原因也是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩,使铸件最后凝固区域的收缩未能得到补偿或因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补偿而形成的。
缩松分为宏观缩松和显微缩松。
宏观缩松是用肉眼或放大镜能观察到的、密集的小孔洞,多分布在铸件中轴线处或缩孔下方;
显微缩松则是分布在晶粒之间的微小孔洞,用显微镜才能观察到,分布面积更为广泛。
结晶温度范围越宽的合金,越易形成显微缩松;
它影响铸件的气密性;
显微缩松难以完全避免,一般铸件不将其作为缺陷,但有气密性或机械性能、物理化学性能要求很高的铸件则必须减少。
⑵影响缩孔、缩松形成的因素
①液态收缩和凝固收缩大的合金,易产生缩孔和缩松;
②浇注温度愈高,液态收缩愈大,缩孔的体积也愈大;
③纯金属、共晶合金和结晶温度范围窄的合金,容易产生集中缩孔,但缩松倾向较小,如铸造铝青铜、铝硅合金;
结晶温度范围宽的合金,易于形成缩松,如锡青铜、球墨铸铁等;
⑶缩孔、缩松的防止——“顺序凝固”原则
缩孔和缩松都是铸件的严重缺陷,必须根据技术要求、采取适当的工艺措施进行防止。
实践证明,采用顺序凝固可以消除缩孔、缩松。
“顺序凝固”是指在铸件上可能出现缩孔的厚截面处(称为热节),通过设置适当的补缩冒口或冷铁,控制铸件的凝固过程,使铸件上远离浇冒口的部位先凝固,浇冒口处最后凝固的铸件凝固工艺。
按照这样的凝固顺序,先凝固部位的收缩,由后凝固部位的液态金属来补充;
后凝固部位的收缩由冒口中的液态金属来补充,从而使铸件各部位的收缩得到补充,将缩孔转移到冒口中。
补缩冒口直径应大于热节直径,以保证冒口里的液态合金最后凝固,使缩孔转移到冒口里去。
冒口与浇口一样,是铸件的多余部分,在铸件清理时将其去除。
为了实现顺序凝固,在安放冒口的同时,还可在铸件上不宜设置冒口的厚大部位(热节)增设冷铁。
冷铁仅是加快某些部位的冷却速度,以控制铸件的凝固顺序,但本身并不起补缩作用。
冷铁通常用钢或铸铁制成。
为了实现顺序凝固,设置补缩冒口和冷铁的特点如下:
①冒口补缩作用好;
②铸件组织致密,机械性能好。
①铸件各部分温差较大,冷却速度不一致,易产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷;
②冒口和冷铁消耗金属材料,切割费事,增加铸件的加工工时和成本。
因此冒口和冷铁通常用于必须补缩的铸件上,如铸钢件、铸造铝青铜和铝硅合金件等易产生缩孔的合金铸件。
顺序凝固原则适用于收缩大的合金或壁厚差大的铸件,如铸钢、可锻铸铁。
注意:
设置冒口对防止缩孔的效果较好,对防止缩松的效果不显著。
适当提高铸型冷却速度或对铸型内的液态金属进行振动或搅拌,可起到细化晶粒,减少铸件产生缩松的效果。
1.1.2.4铸造应力
⑴铸造应力的定义及种类
铸件在凝固之后继续冷却,还要进行固态收缩,使铸件尺寸缩小。
但由于铸件各部分冷却不均匀,各部分相互牵制,固态收缩受到阻碍而引起内应力,称为铸造应力。
阻碍按形成的原因不同可分为热阻碍和机械阻碍。
其中,热阻碍是指铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍;
机械阻碍是指铸型、型芯对铸件收缩的阻碍。
由热阻碍引起的内应力称为热应力;
由机械阻碍引起的内应力称为机械应力(收缩应力)。
另外,还有铸件固态相变产生体积变化而引起的相变应力,该应力较小,一般很少考虑。
铸造应力可能是暂时的(当引起应力的原因消除后,应力随之消失),称为临时应力;
也可能是长期存在的,称为残留应力。
⒈热应力的产生原因及防止措施
热应力是由于铸件壁厚不均匀,各部分冷却速度不同,存在着较大的温差,使固态铸件各部分在同一时间内收缩不同而产生的内应力。
落砂清理后,热应力仍存在于铸件中,是一种残留应力。
由此可知,热应力使铸件厚壁部分或心部受拉伸,薄壁部分或表层受压缩。
铸件的壁厚差别越大,热应力越大;
合金的线收缩率越高,弹性模量越大,热应力也越大。
铸件产生热应力与变形的规律:
①薄壁、细小部位:
冷得快,受压应力(凸出);
②厚壁、粗大部位:
冷得慢,受拉应力(凹进)。
为了防止热应力应尽量减少铸件各部分的温差,使其均匀冷却,在工艺上应采用“同时凝固”原则,其工艺是将内浇口开在铸件薄壁处,以增加该处的热量,减缓薄壁处的冷却速度;
也可在铸件厚壁处安放冷铁,以加快该处的冷却速度。
同时凝固既可减少热应力,防止铸件产生变形和裂纹,又可不用冒口而省工省料。
其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松,主要用于灰口铸铁件、锡青铜件或者壁厚均匀的薄壁铸钢件
⒉机械应力的产生原因及防止措施
铸件冷却到弹性状态、固态收缩时,由于受到铸型、型芯和浇冒口等的机械阻碍而产生的内应力,成为机械应力。
机械应力一般为拉应力或剪应力,由于它是在铸件处于弹性状态时产生的,因而当形成应力的原因(如落砂、切除浇冒口等)消除后,应力也随之消失。
因此,机械应力是一种暂时应力。
但如果它与残留热应力同时作用,增大了某些部位的拉应力。
当瞬时超过铸件的强度极限(σb)时,铸件将产生裂纹。
铸件在有应力的情况下,如受到落砂、清理或运输中的碰撞或加热过快,也会引起裂纹,冬季尤易发生。
⑵铸造应力的防止措施
①设计铸件时,尽量避免牵制收缩的结构,使各部分能自由收缩;
②采用“同时凝固”原则,减少铸件各部分的温度差;
③造型工艺上合理设置浇冒口,改善铸型、型芯的退让性;
④对铸件进行自然时效处理或去应力退火处理。
对一些重要的铸件(如机床床身、刀架、变速箱等),在粗加工后还要再次进行去应力退火。
1.1.2.5铸件的变形与防止措施
如前所述,具有残余内应力的铸件,壁厚不同时,厚壁部分及心部受拉伸,薄壁部分及表层受压缩,但处于这种状态的铸件是不稳定的,它将自发地通过变形来减少其内应力,以趋于稳定状态。
显而易见,只有受拉伸的厚壁部分及心部产生压缩变形,受压缩的薄壁部分及表层产生拉伸变形,才能减少或消除铸件中的残余内应力。
①应力状态:
厚拉薄压、后拉先压
②变形方向:
受拉应力的部分向材料内部凹陷,受压应力的部分向材料外部凸起。
如图所示为车床床身,其导轨部分因较厚受拉应力,床壁部分较薄受压应力,于是朝着导轨方向发生弯曲变形,使导轨呈内凹。
事实上,形状简单的铸件也会处于应力状态,因表层冷却快,受压应力;
心部冷却慢,受拉应力。
如一平板铸件,壁厚尽量均匀,但其中心部分因比边缘散热慢而受拉应力,边缘则受压应力。
由于铸型上面比下面冷却快,于是该平板发生凸起变形。
有的铸件虽无明显变形,但经切削加工后,破坏了铸造应力的平衡,又会产生变形甚至裂纹。
铸件产生翘曲变形后,常因加工余量不够或放不进夹具,无法加工而报废。
因此必须防止铸件产生变形。
其主要防止措施如下:
①在铸件设计时尽可能地使铸件的壁厚均匀、形状对称;
②对于壁厚不均匀、细长易变形的杆类、板类铸件可采用反变形工艺,即在模型上预先留出相当于铸件变形量的反变形量(如机床导轨上凹),以抵消铸件的变形;
③在铸造工艺上应采用“同时凝固”的方法,以使铸件各部分冷却均匀;
④去应力退火(时效处理)对于不允许发生变形的重要铸件必须进行时效处理。
时效处理可分为自然时效和人工时效两种。
时效处理宜在粗加工之后进行,既可消除原有铸造应力,又可将粗加工产生的内应力一并消除。
1.1.2.6铸件的裂纹与防止措施
铸件冷却过程中,当铸件中的内应力超过合金的强度极限σb时,铸件便产生裂纹。
裂纹是严重的铸造缺陷,会造成铸件报废。
裂纹按照形成原因可分为热裂纹和冷裂纹。
⑴
热裂纹
⒈热裂纹的产生原因
热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹,多发生在固相线温度附近,在拉应力作用下,沿晶界开裂。
其形状特征是:
裂纹短、缝隙宽、外形曲折不规则(裂纹沿晶粒边界产生和发展),裂纹表面呈氧化色(与空气接触)。
热裂是铸钢件、白口铸铁件和某些铝合金铸件常见的缺陷之一。
在铸钢件的废、次品总数中,由热裂引起的约占20%以上。
凝固末期,合金绝大部分已成固体,但其强度和塑性很低,当铸件的固体线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统等的机械阻碍,产生的机械应力超过该温度下合金的强度极限,就能引起热裂。
⒉热裂纹的影响因素
影响热裂纹形成的主要因素是合金性质和铸型阻力。
①合金性质铸造合金的结晶温度范围越宽,液固两相区的绝对收缩量越大,合金的热裂倾向也越大。
在常用合金中灰口铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩小,热裂倾向也小;
而铸钢、铸铝、可锻铸铁的热裂倾向大。
钢铁中的S,因可形成低熔点的共晶体,扩大了结晶温度范围,增加合金热脆性,故S含量越多,热裂倾向越大。
②铸型阻力铸型退让性越好,机械应力越小,热裂倾向也越小。
铸型退让性与铸型材料中粘结剂种类有关,如粘土砂高温强度大,用它制作的薄壁铸件的型芯易引起热裂;
当采用有机粘结剂配制型芯砂时,因高温强度低,退让性好,热裂倾向小。
为提高粘土砂的退让性,可在其中掺入少量锯末、纸屑等。
总之,合金的收缩率大、高温强度低、铸件结构不合理、铸造工艺不合理、铸型和型芯机械阻力大等都会加大热裂倾向。
⒊热裂纹的防止措施
主要措施有:
使铸件结构合理,改善铸型和型芯的退让性,减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍,内浇口设置应符合同时凝固原则,此外还应减少合金中的S含量等等。
⑵冷裂纹
⒈冷裂纹的产生原因
冷裂纹是铸件在较低温度或室温下,处于弹性状态时产生的裂纹。
裂纹表面光滑,裂纹细小,呈连续直线或圆滑曲线状(穿过晶粒而发生),裂纹表面具有金属光泽或微氧化色。
冷裂纹往往出现在形状复杂的大型工件的受拉应力部位,特别是应力集中的地方,如尖角、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近,有些冷裂纹是在铸件落砂清理、搬运或机械加工时受震击或碰撞才出现。
⒉冷裂纹的影响因素
铸件的冷裂倾向
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