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    奧氏體不銹鋼 austenitic-stainless-steel

    奧氏體不銹鋼 austenitic-stainless-steel

    不銹鋼精密鋼管

    以?shī)W氏體組織為基體的一類鐵%26ndash;鉻%26ndash;鎳或鐵%26ndash;鉻%26ndash;錳(氮)系不銹鋼。奧氏體是具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的組織,純鐵只有在910~1390℃的溫度區(qū)間內(nèi)才以穩(wěn)定的奧氏體存在。隨著合金元素的加入,奧氏體穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)鋼中主要合金元素鉻和鎳(或錳、氮)達(dá)到一定的含量并以適當(dāng)?shù)谋壤钆鋾r(shí),鋼在室溫下基本保持奧氏體組織。奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的耐蝕性,從它被發(fā)現(xiàn)的那天起,便受到人們的高度重視。

    簡(jiǎn)史 奧氏體不銹鋼已有80多年的歷史,世界上最早的奧氏體不銹鋼是1912年首先在德國(guó)發(fā)明的。1914年定名為V2A的第一個(gè)奧氏體不銹鋼在制堿和合成氨生產(chǎn)中獲得工業(yè)應(yīng)用。其主要成分為20%鉻、7%鎳和作為基體的鐵,但是碳含量較高,約為0.25%。其后隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn),逐漸發(fā)展演變?yōu)槿藗兯熘?8-8不銹鋼。到1925年以后,陸續(xù)在英、美、德等國(guó)廣泛應(yīng)用于硝酸、合成氨生產(chǎn)及制堿等化學(xué)工業(yè)中,成為與Cr17型鐵素體不銹鋼齊名的兩大不銹鋼種之一。而奧氏體不銹鋼由于在生產(chǎn)和應(yīng)用方面更有其突出的優(yōu)越性,生產(chǎn)量和使用范圍日益擴(kuò)大,很快占據(jù)不銹鋼的主導(dǎo)地位。其化學(xué)成分也不斷發(fā)展和改進(jìn),牌號(hào)越來(lái)越多,逐步發(fā)展成為較為復(fù)雜的奧氏體不銹鋼系列,現(xiàn)在,奧氏體不銹鋼產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%。按產(chǎn)量和產(chǎn)品水平排于前列的主要生產(chǎn)國(guó)有日本、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、瑞典及英國(guó)等。牌號(hào)主要集中于0Cr19Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14-Mo2和1Cr17Ni7等。生產(chǎn)中廣泛采用先進(jìn)技術(shù),如爐外精煉率達(dá)到95%以上,連鑄比超過(guò)80%,高速軋機(jī)和精、快鍛機(jī)等普遍推廣。特別是在冶煉和加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)控制,保證了產(chǎn)品質(zhì)量和性能的可靠和穩(wěn)定。

    分類 按照奧氏體化元素的不同,奧氏體不銹鋼可分為鉻鎳系和鉻錳系兩類。鉻鎳系以鎳為主要奧氏體化元素,鎳含量至少要在8%以上,最高可達(dá)30%。為保證鋼的不銹性和耐蝕性,鉻含量一般不低于17%。鉻錳系以錳為主要奧氏體化元素,其開發(fā)的目的在于節(jié)約較為昂貴的元素鎳。但由于錳的奧氏體化能力比鎳低得多(僅為鎳的一半左右),而且在鉻含量超過(guò)15%的鋼中,僅靠加錳(即使含量再高)也不能使鋼完全奧氏體化,因此該系中通常都含有足夠量的氮,有不少牌號(hào)還得保留適量的鎳。這樣該系實(shí)際上成為鉻錳氮系或鉻錳鎳氮系奧氏體不銹鋼。

    鉻鎳奧氏體不銹鋼 這類鋼為奧氏體不銹鋼的主體。其基礎(chǔ)牌號(hào)為18-8不銹鋼,該鋼種的鉻、鎳含量分別約為19%和10%,在氧化性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)良,在多種不太強(qiáng)的腐蝕性環(huán)境中也耐蝕。為了提高在各種不同使用條件下及較強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中的耐蝕性能,鋼的合金成分在兩個(gè)方面進(jìn)行發(fā)展和改進(jìn):一方面是提高鉻、鎳含量,鉻可提高到25%以上,鎳甚至可達(dá)近30%;另一方面是向鋼中添加諸如鉬、銅、硅、氮、鈦和鈮等其他合金元素。碳含量一般都比較低,目前常用牌號(hào)的碳含量多低于0.08%,并且有越來(lái)越多的牌號(hào)還達(dá)到超低碳(%26le;0.03%)甚至更低的水平(%26le;0.02%)。

    鉻是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素,其作用是促使鋼在介質(zhì)中鈍化并維持鈍態(tài)穩(wěn)定,從而保證鋼優(yōu)良的不銹性和耐蝕性。特別是對(duì)于耐強(qiáng)氧化性介質(zhì)(如高溫硝酸)的腐蝕,耐氯化物溶液的點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕,以及耐含氧化劑混合酸(如硝酸加氫氟酸,硫酸加重金屬離子、濕法磷酸等)的腐蝕,高鉻含量都是必不可少的。鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的另一個(gè)主要合金元素,其作用一方面是保證鋼獲得穩(wěn)定的奧氏體組織,從而使鋼具有良好的塑性、韌性(包括在低溫下的塑性和韌性)和滿意的強(qiáng)度,優(yōu)良的加工性、成形性、可焊性及非磁等性能;另一方面可改善鋼在耐還原性介質(zhì)(如鹽酸、硫酸)中腐蝕的性能,特別是能明顯提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的能力。鉬的主要作用是提高鋼對(duì)還原性介質(zhì)(如硫酸、磷酸、尿素和一些有機(jī)酸)的耐蝕性,并改善耐氯化物點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的性能。銅加入到奧氏體不銹鋼中一方面可顯著降低鋼的冷作硬化傾向,提高冷加工成形(冷鐓、深沖)性能,另一方面與鉬復(fù)合加入可提高鋼在硫酸等還原性介質(zhì)中的耐蝕性。硅作為合金元素可改善鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的性能,并提高鋼在濃硫酸和濃硝酸中的耐蝕性。氮作為合金元素在鉻鎳奧氏體不銹鋼中應(yīng)用日益增多,氮可明顯改善鋼耐點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕的性能,并能提高強(qiáng)度,同時(shí)保持塑性、韌性不下降。鈦和鈮主要是用來(lái)提高鋼的耐晶問(wèn)腐蝕性能。此外,主要合金元素鉻和鎳含量的適當(dāng)減少(分別減少到17%和7%左右)會(huì)降低奧氏體基體的穩(wěn)定度,形成亞穩(wěn)定奧氏體鋼種。這種鋼在固溶態(tài)下呈奧氏體組織,但一經(jīng)冷變形,部分奧氏體很容易轉(zhuǎn)變成馬氏體,馬氏體量隨冷變形量加大而增多,從而提高了鋼的強(qiáng)度性能。由于上述這些各起不同作用的合金元素的加入及其含量變化,鉻鎳奧氏體不銹鋼發(fā)展出了很多種不同性能和用途的鋼種。幾種最常用的鋼種及其代表牌號(hào)如下:

    (1)基礎(chǔ)牌號(hào)(18-8不銹鋼):0Cr19Ni9,00Cr19Ni10。

    (2)用鈦、鈮穩(wěn)定化的牌號(hào):1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni11Ti,0Cr18Ni11Nb。

    (3)提高鉻、鎳含量的牌號(hào):0Cr23Ni14(Nb),0Cr25Ni20.00Cr25Ni20(Nb),0Cr18Ni35Si。

    (4)含鉬牌號(hào):0Cr17Ni12Mo02,00Cr17Ni14Mo2,00Cr17Ni14Mo3,0Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr18Ni12Mo-3Ti,00Cr18Ni16Mo5,00Cr25Ni22Mo2N;00Cr20Ni一25Mo6(N)。

    (5)用鉬、銅復(fù)合合金化的牌號(hào):00Cr18Ni14Mo-2Cu2,00Cr18Ni18Mo2Cu2,00Cr20Ni18Mo6CuN,00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb。

    (6)深沖用含銅牌號(hào):0Cr1SNi10Cu3;

    (7)高硅牌號(hào):00Cr18Ni14Si4Nb,00Cr17Ni20Si-6MoCu。

    (8)含氮牌號(hào):0Cr19Ni9N,00Cr18Ni10N,0Cr-17Ni12Mo2N,00Cr17Ni13Mo2N,00Cr25Ni22Mo2N。

    (9)含硫、硒等易切削牌號(hào):Y1Cr18Ni9,YICr-18Ni9Se。

    (10)冷作強(qiáng)化用亞穩(wěn)奧氏體牌號(hào):1Cr17Ni7。

    鉻錳奧氏體不銹鋼 主要包括鉻錳氮鋼和鉻錳鎳氮鋼兩類。為了保證不銹性和耐蝕性,鉻含量多在17%以上,最高可達(dá)22%。錳是維持鋼的奧氏體基體的合金元素,其含量在5%~18%之間。在鉻錳氮鋼中,錳一般超過(guò)13%;而在鉻錳鎳氮鋼中,由于保留了適量的鎳(一般在3%~8%),錳可降低到稍低的水平。鎳是鉻錳鎳氮鋼中的重要合金元素,它除與錳、氮等元素共同維持鋼的奧氏體基體組織外,對(duì)于改善鋼的熱加工性和塑、韌性,以及提高鋼對(duì)于非氧化性介質(zhì)的耐蝕性,都有重要作用。氮是非常重要的奧氏體化元素,其奧氏體化能力約為鎳的30倍,同時(shí)能顯著提高鋼的強(qiáng)度并改善耐蝕性,其含量一般都在0.2%以上,高時(shí)可達(dá)0.5%~0.6%。有時(shí)為了某種需要也有些牌號(hào)不含氮的,但必須保留較多的鎳(約6%),并常加入少量銅(2%)。與鉻鎳奧氏體不銹鋼一樣,鉻錳奧氏體不銹鋼碳含量也比較低,一般都在0.08%以下,但超低碳(%26le;0.03%)的牌號(hào)較少。

    簡(jiǎn)單的鉻錳氮鋼只耐氧化性介質(zhì)的腐蝕。向鋼中(特別是向鉻錳鎳氮鋼中)加入鉬和銅等元素可提高在多種非氧化性腐蝕環(huán)境中(如硫酸、尿素等)的耐蝕性,鉬和銅的含量沒(méi)有像鉻鎳奧氏體不銹鋼中那樣高,通常分別為3%和2%。有時(shí)也加入少量鈮或釩(%26lt;1%)以改善耐晶間腐蝕性能。目前已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的牌號(hào)有:

    (1)鉻錳氮鋼:0Cr18Mn15N。

    (2)鉻錳鎳氮鋼:0Cr18Ni3Mn13N,0Cr18Ni5Mn-9N,0Cr21Ni6Mn9N。

    (3)含鉬的鉻錳氮鋼:0Cr18Mn13Mo2N,0Cr-18Mn18MoN。

    (4)含鉬的鉻錳鎳氮鋼:0Cr18Ni5Mn10Mo3N,0Cr20Ni6Mn9Mo2N,0Cr22Ni13Mn5Mo2VNbN。

    (5)含銅的鉻錳鎳鋼:0Cr17Ni5Mn6Cu,0Cr-17Ni6Mn6MoCu2。

    性能特點(diǎn)和應(yīng)用 鉻鎳奧氏體不銹鋼最突出的特點(diǎn),是對(duì)多種腐蝕性環(huán)境特別耐腐蝕。這與該類鋼的奧氏體基體中鉻、鎳含量可以加到很高,并能大量溶入多種有利于改善耐蝕性的其他合金元素如鉬、銅、硅和氮等密切相關(guān)。因而無(wú)論是在氧化性、還原性或氧化還原復(fù)合性介質(zhì)以及各種有機(jī)介質(zhì)中,在很寬的濃度、溫度范圍內(nèi),耐蝕性(包括耐均勻腐蝕和局部腐蝕)均很優(yōu)良。

    對(duì)于耐以硝酸為代表的氧化性介質(zhì)(包括很多種有機(jī)酸)的均勻腐蝕,可用常見的18-8不銹鋼(00Cr19Ni10、0Cr18Ni11Ti)。如果酸的濃度、溫度較高,或是耐蝕性要求更嚴(yán),可采用更高鉻的牌號(hào)(如00Cr25Ni20Nb等)。對(duì)于耐硫酸、稀鹽酸、甲酸、尿素等還原性介質(zhì),取決于介質(zhì)濃度和溫度,可依次選用含鉬(00Cr17Ni14Mo2、00Cr25Ni22Mo2N)和高鉬(00Cr18Ni16Mo5)和高鉬含銅鋼(如0Cr20Ni25Mo4.5Cu等)。對(duì)于耐濃硫酸(濃度%26ge;90%)和濃硝酸(濃度%26ge;85%)。應(yīng)選用高硅牌號(hào)的不銹鋼(00Cr17Ni20Si6MoCu、00Cr18Ni13Si4Nb)。對(duì)于種類繁多的氧化還原復(fù)合性介質(zhì),則選用高鉻、鎳含量并用鉬、銅復(fù)合合金化的牌號(hào)(00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb、00Cr20Ni18Mo6CuN等)通常可獲得滿意的耐蝕效果。需要指出,對(duì)于鹵族(如濕氯)和鹵化物酸(鹽酸、次氯酸和氫氟酸等)以及溫度較高的中等濃度(50%~70%)硫酸,鉻鎳奧氏體不銹鋼只能在有限的程度上耐蝕。

    對(duì)于由氯化物溶液引起的點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕、用高鉻、鉬含量特別是又添加氮的鋼(如00Cr18Ni-16Mo5、00Cr20Ni25Mo6N、00Cr20Ni18Mo5CuN)能取得很好的耐蝕效果。提高鎳含量以及又加入硅的鋼種(如00Cr25Ni25Si2V2Nb)具有較好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂性能。但由于鎳含量必須更高(超過(guò)35%26permil;)或者極低(%26le;0.1%),鋼材更耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂,這樣的合金已不再屬于奧氏體不銹鋼(分別進(jìn)入鐵鎳基、鎳基合金或鐵素體不銹鋼的范圍)。因此,作為奧氏體不銹鋼(鎳含量為8%0~30%),其耐氯化物應(yīng)力腐蝕盔一破裂的能力還顯得不夠。晶間腐蝕曾經(jīng)是奧氏體不銹鋼應(yīng)用和發(fā)展的一大障礙,目前采用先進(jìn)的冶煉技術(shù)已經(jīng)可以把鋼中碳含量降低到0.03%乃至0.02%以下,成功地解決了敏化態(tài)(如焊后)的晶間腐蝕問(wèn)題,加鈦、鈮等穩(wěn)定化元素已經(jīng)不是防止敏化態(tài)晶間腐蝕的主要手段。為了防止在強(qiáng)氧化性介質(zhì)(含有cr+6、、Mn+7、Fe+3等高價(jià)重金屬離子的高溫硝酸)中的非敏態(tài)晶間腐蝕,目前的有效措施是將鋼高純化,即把硅、磷等雜質(zhì)元素含量降到很低的水平(si%26le;0.1%、P%26le;0.01%)。

    鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能特點(diǎn)是:硬度較低,強(qiáng)度適中,塑性、韌性優(yōu)良(見表1),因而非常適應(yīng)于各種機(jī)械成形和制造加工。加之焊接性能良好:可采用各種常用焊接方法(如鎢極氬弧焊、手工焊、帶極堆焊等),焊縫不會(huì)產(chǎn)生裂紋,焊接接頭的耐蝕性和力學(xué)性能與母材相當(dāng)。所以可以很順利地加工制造各種常用設(shè)備、裝置和構(gòu)件等。

    表1 鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能(室溫,固溶態(tài))

    牌號(hào)

    σ0.2/MPa

    σb/MPa

    δ/

    Ψ /

    HRB

    大量常用牌號(hào)

    220330

    520660

    4560

    5580

    8095

    00Cr19Ni10

    230

    570

    55

    72

    90

    0Cr18Ni11Ti

    250

    600

    50

    66

    90

    00Cr20Ni25Mo4.5Cu

    260

    610

    50

    65

    90


    鉻鎳奧氏體不銹鋼的低溫性能也很好,即使在液氮溫度(-196℃)也不會(huì)變脆。在較高溫度下也能維持一定的強(qiáng)度和良好塑性。這為其擴(kuò)大使用范圍提供了良好條件。此外,該類鋼在加熱和冷卻過(guò)程中無(wú)相變,因而無(wú)法通過(guò)熱處理來(lái)強(qiáng)化,惟一的強(qiáng)化方式是冷變形。這樣其強(qiáng)化程度當(dāng)然是很有限的,而且會(huì)伴隨著塑性和韌性的損失。

    鉻鎳奧氏體不銹鋼的物理性能特點(diǎn)是:導(dǎo)熱系數(shù)低、電阻大、熱膨脹系數(shù)大和無(wú)磁等。常用物理常數(shù)列于表2。

    表2 鉻鎳奧氏體不銹鋼物理常數(shù)(固溶態(tài)的數(shù)值范圍)

    密度D(20)/g  ρ ;cm-3

    7.98.1

    導(dǎo)熱系數(shù)%26lambda;(100)/W%26middot;(m%26middot;K)-1

    14.616.3

    質(zhì)量熱容C(20)/W%26middot;(m%26middot;K)-1

    460500

    電阻率%26rho;(20)/%26mu;%26Omega;%26middot;cm

    6988

    線膨脹系數(shù)%26lambda;(20400)/K-1

    (16.718.2)%26times;10-6

    彈性模量E(20)/MPa

    (19.320.3)%26times;104

    磁導(dǎo)率%26mu;0(20)

    1.008

    熔點(diǎn)Tm/

    13711454


    廣泛的應(yīng)用,使用范圍遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域,除化工、石化、核能、冶金、紡織和輕工等工業(yè)部門是傳統(tǒng)的主要用戶外,在海洋開發(fā)、交通運(yùn)輸、商業(yè)、建筑以及日常生活等方面用量也日益增加。當(dāng)前,鉻鎳奧氏體不銹鋼的用量約占所有不銹鋼總量的70%左右。

    鉻錳奧氏體不銹鋼較之鉻鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性明顯遜色,一般只在弱腐蝕性環(huán)境或氧化性介質(zhì)中耐蝕。但含有一定量的鉬特別是鎳含量又比較高的牌號(hào),如0Cr18Ni5Mn10Mo3N、0Cr20Ni6Mn9Mo2N和0Cr22Nn3Mn5Mo2VNbN等,在氧化性、還原性和氧化還原復(fù)合性介質(zhì)中也能呈現(xiàn)出較好耐蝕性。鉻錳奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的突出特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度較高,同時(shí)塑性,韌性良好。與同等合金化程度的鉻鎳奧氏體不銹鋼相比,抗拉強(qiáng)度可高出30%~40%,而屈服強(qiáng)度競(jìng)可高出50%~80%。但是,該類鋼的熱、冷加工工藝性能、冷成形性能和焊接性能等均不如鉻鎳奧氏體不銹鋼,材料的生產(chǎn)加工和用該材料進(jìn)行設(shè)備制造等會(huì)比鉻鎳奧氏體不銹鋼難度更大。鑒于上述情況,該類鋼應(yīng)用受到一定局限。根據(jù)其性能特點(diǎn),目前主要應(yīng)用于腐蝕性不太強(qiáng)但承受較高機(jī)械負(fù)荷的工作條件下,如石油勘探及開采、石油加工以及航空和輕工等部門的有關(guān)設(shè)備或裝置與構(gòu)件等。

    生產(chǎn)工藝 奧氏體不銹鋼生產(chǎn)工藝性能良好,特(210奧別是鉻鎳奧氏體不銹鋼,采用生產(chǎn)特殊鋼的常規(guī)手段可以順利地生產(chǎn)出各種常用規(guī)格的板、管、帶、絲、棒材以及鍛件和鑄件。由于合金元素(特別是鉻)含量高而碳含量又低,目前多采用電弧爐加氬氧脫碳(AOD)或真空脫氧脫碳(VOD)法大批量生產(chǎn)這類不銹鋼材,對(duì)于高級(jí)牌號(hào)的小批量產(chǎn)品可采用真空或非真空非感應(yīng)爐冶煉,必要時(shí)加電渣重熔。鉻鎳奧氏體不銹鋼優(yōu)良的熱塑性使其易于施以鍛造、軋制、熱穿孔和擠壓等熱加工,鋼錠加熱溫度為1150~1260℃,變形溫度范圍一般為900~1150℃,含銅、氮以及用鈦、鈮穩(wěn)定化的鋼種偏靠低溫,而高鉻、鉬鋼種偏靠高溫。由于導(dǎo)熱差,保溫時(shí)間應(yīng)較長(zhǎng)。熱加工后工件空冷即可。鉻錳奧氏體不。銹鋼熱裂紋敏感性較強(qiáng),鋼錠開坯時(shí)要小變形、多道次,鍛件宜堆冷。可以進(jìn)行冷軋、冷拔和旋壓等冷加工工藝和沖壓、彎曲、卷邊與折疊等成形操作。鉻鎳奧氏體不銹鋼加工硬化傾向較鉻錳鋼弱,一次退火后冷變形量可以達(dá)到70%~90%,但鉻錳奧氏體不銹鋼由于變形抗力大,加工硬化傾向強(qiáng),應(yīng)增加中間軟化退火次數(shù)。一般中間軟化退火處理為1050~1100℃水冷。

    奧氏體不銹鋼也可生產(chǎn)鑄件。為了提高鋼液的流動(dòng)性,改善鑄造性能,鑄造鋼種合金成分應(yīng)有所調(diào)整:提高硅含量,放寬鉻、鎳含量的區(qū)間,并提高雜質(zhì)元素硫的含量上限。

    奧氏體不銹鋼使用前應(yīng)進(jìn)行固溶處理,以便最大限度地將鋼中的碳化物等各種析出相固溶到奧氏體基體中,同時(shí)也使組織均勻化及消除應(yīng)力,從而保證優(yōu)良的耐蝕性和力學(xué)性能。正確的固溶處理制度為1050~1150℃加熱后水冷(細(xì)薄件也可空冷)。固溶處理溫度視鋼的合金化程度而定:無(wú)鉬或低鉬鋼種應(yīng)較低(%26le;1100℃),而更高合金化的牌號(hào)如00Cr20Ni18Mo-6CuN、00Cr25Ni22Mo2N等宜較高(1080~1150℃)。

    展望 奧氏體不銹鋼今后的發(fā)展方向:(1)鋼種極低碳化(碳%26le;0.02%)和高純化(作為雜質(zhì)元素硫、磷、硅、錳等含量極低)。(2)特殊用途鋼種開發(fā)。如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高強(qiáng)度的高氮鋼(氮含量達(dá)到0.4%~0.6%甚至0.8%~1.0%),不銹鋼功能材料(記憶材料、儲(chǔ)氫材料等)等。(3)新工藝開發(fā)。不銹鋼復(fù)合材料、非晶不銹鋼等。


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