铜及铜合金概述.docx
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铜及铜合金概述
铜及铜合金概述
铜是人类最早发现和使用的金属材料，铜的熔点低，易合金化，是人类使用的最古老的金属之一，早在公元前7000年人类就认识了自然铜，大约在公元前3000年左右在世界各地出现了具有较高水平的铜冶炼业。
3500年前人们开始用铜合金制作生活器皿，曾经开创了辉煌灿烂的古代青铜文明。
现代工业文明制品，大多数使用金属材料，尤其是重要部件，显示了其的可靠性，但使用单一金属的情况很少，大多使用合金材料，合金品种多，制造工艺各有特色。
铜及铜合金的特点不单纯是强度，主要是导、电导热性能优良，必须充分发挥其的导电性能好的优势，才能最大限度地为社会做贡献。
近现代，特别是十七世纪的产业革命，及法拉第电磁感应定律发现以来，由于铜及铜合金具有优良的导电、导热、耐蚀性能，易于加工，外表美观而大规模应用于现代工程技术领域，广泛应用于机械、电子、电气、化工、交通、能源、建筑、信息通讯等领域，例如：
一部拖拉机平均用铜31kg,—部解放汽车平均用铜21kg,各种家
用电器产品、工业装置等都离不开铜及铜合金产品，是国民经济中不可替代的重要工程材料。
据国外统计，发达国家铜及铜合金与钢的消费比例大约在1.3：
100左右，铜及铜合金的品种及消费量已成为衡量一个国家工业技术水平的标志之一。
铜及铜合金在工程技术领域广泛应用的根本特点是：
其是目前经济的导电材料。
纯铜具有仅次于银的高导电、导热性能、适宜的强度、优良的耐蚀性能，易于钎焊和形变加工，大量用于制造各种电气导线和导体，其在电气（器）、电子行业应用的比例占总产量的一半以上，例如：
制造1万千瓦发电设备，包括输变电器材在内需用铜材近800吨。
近年来随着能源日益紧迫，各行业节能降耗工作日益突出，电动机是广泛应用的耗电大户，各国都十分重视高效节能电动机的开发推广，其中降低电阻消耗的重要途径就是加大电动机绕组的截面积。
同时随着人民生活水平的提高，民用负载不断加大，各种输电电缆的截面积也呈增加的趋势，随着铜代铝按、国际标准配置居民电线线径等建筑规范的出台都为铜在电气领域提供了广阔的发展前景。
铜及铜合金的另一个特点是：
其具有优良的合金化特性，能和目前绝大多数金属或非金属元素形成各具特色的合金，目前已形成250余个合金牌号，近万种规格的产品系列，满足各行各业的需要，而且绝大多数铜合金具有较强的耐蚀性能，例如：
白铜具有优良的机械性能、加工性能和耐蚀性能，适用于高温高压下的耐蚀环境，广泛应用于医疗、仪表、造船、
化工等领域；锡青铜具有优良的弹性和较高的机械性能，广泛用于各种仪器、仪表中弹性元件及一些轴承摩擦套的制造；铝青铜具有可与钢相比的高强度，同时耐蚀性能优良，广泛用于制造各种重载耐磨零件0随着现代科技的发展，特别随着信息技术的高速发展，其
用于高新科技领域的新型合金品种不断涌现，代表了当代工程材料发展的方向，具有广阔的发展前景。
同时铜及铜合金还是当前最佳的环保材料，用于各种器件上的铜合金可以做到完全回收,循环使用。
再生铜可以保持其原来的各种优越性能，这点是其他再生材料所不可比拟的。
在我国铜资源相对短缺的情况下，充分利用再生铜资源已成为一种新兴的产业。
目前随着电子产品、汽车产量的增加，具有优良导电、导热性能的铜加工产品需求不断增加，产品趋向薄壁化、大批量化，尤其是对引线框架、端子及连接器用带材的精度、平直度、表面粗糙度、光泽度、防变色的要求越来越高。
、有色金属的分类及特点
目前世界大约有80余种有色金属品种，具体分类如下:
重有色金属
密度大于4.5g/cm，其中Pt最重其密度为21.45g/cm。
轻有色金属
密度小于4.5g/cm3,如：
Ag、Mg、Na、Ca、K等。
其中Mg最轻密度仅为1.74g/cm3。
贵有色金属
女口：
Au、Ag、Pt、Nb、Ir、er等
稀有金属
稀有轻金属：
Ti、Li、铷、铯、铍等，其中比重最小的是Li，其
密度仅为0.53g/cm3。
稀有高熔点金属：
W、Mo、Sb、Nb、Zr、Hf、V、La等，其熔点一般大于1700C，其中W熔点最高为3390C。
稀有分散金属：
鎵、In、铊、锗等，在地壳中分散分布，没有独立矿床。
稀土金属：
钪、钇、镧系合金（镧、铈、镨、釹等15个相似元素）
虽然以共生形式存在，但储量很大。
放射性元素
镭、锕系元素，如：
钍、镤、铀等。
半金属
Si、SeTe、B共五个兀素，能传热导电，具有一疋的金属特性。
、铜及铜合金的分类及特点
种
类
系列
特点
纯
铜
韧铜
含氧量50~600ppm，导电率不小于100%，适用于咼导电但无焊接性能要求的环境中。
无氧铜
含氧量一般小于30ppm，电子级无氧铜含氧量小于10ppm，真空用无氧铜含氧量小于
3ppm，冋时限制含磷量小于3ppm。
主要用于有气密性要求的真空电子器件。
脱氧铜
主要是磷脱氧铜，含磷量在50~400ppm之间，主要用于有焊接性要求的一般工业领域。
其导电率最大为100%IACS。
高铜
含铜量在93.5~96%之间，通常加入少量合金元素，在不剧烈降低纯铜导电性的前提下，提高纯铜的耐热性、切削性和强度。
黄
铜
简单黄铜
如H96、H90、H80、H68、H65、H62等，其耐蚀性随含锌量的提高而降低，一般把
含锌量高于30%的称为高锌黄铜，把含锌量在20~30之间的称为中锌黄铜，把含锌量
低于20%的称为低锌黄铜。
其中H65、H68黄铜具有良好的综合机械性能和加工性能通常用于制作冲压拉伸件，广泛用于机械、仪器、电讯、车辆、乐器等领域。
H62的
机械强度高，适于加工，主要用于螺钉、铜网、弹簧、垫片等机械零件的制造。
复杂黄铜
铝黄铜：
如Hal77-2表面能够生成一层致密的氧化膜，具有极强的抗腐蚀能力，通常用于海滨电站用冷凝管材料。
锰黄铜：
如HMn58-2其抗蚀能力较强，可提咼合金的耐热能力。
铁黄铜：
如HFe59-1-1可耐大气及海水腐蚀，高温性能极好，其加工材一般用于航空、船舶等领域。
铅黄铜：
如HPb59-1、HPb63-3等，具有良好的机械性能和耐蚀性能，尤其是可实现高速、高精度切削，是制作各种精密零件用的理想材料。
锡黄铜：
如HSn70-1、HSn90-1、HSn62-1、HSn60-1等，锡具有良好的固溶强化效果合金的机械性能及压加性能优良，且锡可明显降低黄铜中铜锌的电位差，具抑制合金脱锌腐蚀的能力，用于抗海水腐蚀零件，被誉为“海军黄铜”。
硅黄铜：
如HSi80-1具有良好的抗腐蚀能力和较高的机械性能，主要用于制造各种耐蚀构件及各种耐蚀机械零件。
青
铜
锡青铜
一般加工用锡青铜含锡量小于8%，超过8%塑性会严重降低。
如果含锡超过17%则其
强度也随之而降低，一般工业用锡青铜含锡量很少能达到20%。
加入Zn、Pb、Ni、P
等合金元素可改善其的组织、机械及工艺性能。
其中QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4合金常用于弹性元件，具有优良的机械性能、耐蚀、耐磨性能。
QSn4-4-4、QSn4-4-2.5具有优良的耐磨性能，但只能冷加工而不能热加工，主要用于铸造、机加工零件，如轴承、套衬等零件。
无锡青铜
主要有：
铝青铜、硅青铜、铍青铜等品种。
铝青铜含铝超过9%就会出现第二相，使变形抗力大幅上升，因而适于冷加工的铝青铜
最高含铝量一般为7%左右，超过9%的铝青铜一般采用热加工生产。
其中QAI7具有良
好的机械性能和耐蚀性能，高弹抗蠕变，压加性能好，主要用于弹簧及弹性元件制造。
QAl9-4-4合金具有咼强、耐磨、耐蚀、耐热性能，可靠热处理提咼材料性能，热加工性能良好，主要用于制造重要部件。
硅青铜：
如QSi3-1、QSi1-3等，其机械、工艺、耐蚀性能优良，冲击不发生火花，特别
是耐蚀性能极好，具有替代传统铝黄铜、锡黄铜制造各种耐海水腐蚀零件的趋势。
主要
用于制造耐蚀弹簧、弹性元件及管网、焊接零件及发动机零件。
铍青铜经热处理后机械性能可与特种钢相媲美，耐疲劳性极好，导电导热，冲击不发生
火花，主要用于高温、高压、高速条件下重要用途的弹性元件。
白
铜
结构白铜
在白铜中CSH是主要杂质元素，结构白铜机械性能、耐蚀性能、抗氧化性能好，主要
用于精密机械、化工、船舶及强腐蚀介质零件。
其中B19的耐蚀性、加工塑性优良，主
要用于雷管、散热（换热）器、精密抗蚀零件等。
BZn15-20合金属锌白铜，又称“德银”，具有良好的机械性能和美丽的银白色光泽，主要用于海洋、医疗、钟表、精密器件和装饰品的加工制造。
Bal6-1.5合金可以通过热处理进行强化，机械性能、耐蚀性能优良，特别是其低温性能优异，在90K以下强度上升，主要用于精密器件及高级弹性元件。
电工白铜
主要是康铜合金，BMn40-1.5主要用于制造500C以下的低温电阻材料及热电偶。
镍
熔点1455C，化学性能极其稳定，物理、机械性能优良，500C以下不与空气作用，在
海水、淡水中性能稳定，耐蚀性能在所有金属中最好，是制造耐热合金、电工耐蚀合金的重要材料，广泛用于电子技术、海洋机械领域，但镍的导电性差，具有高的电真空性能，磁性在355C以上消失。
主要品种有：
N2、N4、N6、N8。
镍
合
金
具有较咼的耐热性，电动势大，电阻温度系数小，电阻系数大，耐蚀，塑性好，强度咼，
对碱、海水、食品、水蒸气稳定，但不耐铁、铜、汞、锡的硫酸盐的腐蚀，广泛用于精密仪器、热电偶、电热仪器、电阻丝、变阻器及各种耐蚀零件。
其中NCr20电阻丝耐热
温度高达1100C；NCr9、10电阻高，电阻温度系数小，热电势大，适于制作热电偶；
NMn3耐热、耐蚀，高温抗氧化，用于制造火花塞、接收放大电子管；NSi0.2电真空性
好，用于制作电子管阴极芯，电工仪表零件。
NCU28-2.5-1.5高强高塑，耐大气、盐、碱
及有机物的侵蚀，咼温抗氧化，400C以下不改变机械性能，主要用于耐蚀性咼的大强
度零件。
三、功能材料
能源、信息、材料是现代工业的三大支柱，其中材料具有科学技术的先导作用，没有材料创新就没有技术上的新成就。
例如：
没有单晶硅就不可能有繁荣的电子时代；没有碳化纤维石墨强化复合材料就没有航天飞机。
新材料具有支撑尖端科技，推动技术创新的作用。
新材料包括：
结构材料
金属材料
高分子材料
功能材料的性能特点和功能
种类
特点
功能
非晶合金
非晶组织，性能均匀，高强高韧咼耐蚀、咼耐磨。
用于磁性耐蚀材料，咼强复合零件。
形状记忆合金
记忆形状
用于接头、温控器、敏感兀件、固体发动机等。
超导合金
液氦液氮温度下电阻为零。
用于电力系统、新能源、磁场利用、电子设备、仪器仪表、高敏元件。
吸氢合金
大量吸放氢，伴随有发热、吸热现象。
用于储氢、加热泵、蓄热器等方面。
防震合金
敲击不发出声音。
［用于工作机零件、音响设备、螺旋桨「
超塑合金
高温延展性好，防震。
用于成型模、异型锻件、深拉器件。
四、规模化铜合金及特点
用途
特点
引线框架材料
引线框架材料主要用于半导体兀器件和集成电路的封装，起支撑芯片，连接外部电路，散失热量的作用。
铜合金，导电导热性好，成本低，适应塑封要求，与塑封配合性好，目前70%框架材料为铜合金。
其的主要缺点是：
强度偏低，采用实效强化的方法，在不强烈降低导电率的前提下提咼合金强度是有效的方法。
电子工业的进步，使IC引线框架材料用铜合金的需求量增加速度很快，要求具有良好机械性能、冲压成形性、延展性、耐弯曲、耐腐蚀性、优良的钎焊性能及芯片和引线接合性，能耐封装、钎焊加热，成本适宜。
目前集成电路的高密度化带来了散热问题，薄型化带来了强度问题，因此引线框架用铜合金必须具有高的导热率和高的强度。
铜合金引线框架材料可分为两大类：
1、固溶强化型SHTC（solutionhardeningtype
copperalloy）2、沉淀强化型（precipitationhardeningtypecopperalloy）。
固溶强化型铜合金通常加入Sn、Fe、Zn、Ni、P等元素，含量不超过百分之几，产生晶格畸变强化，但对导电率有不良的影响，必须限制添加量，因而强化效果较弱，但这类合金不含活性元素，可大气熔炼，不需退火以外的热处理，易于制造。
沉淀强化型铜合金的强化机理是，弥散析出第二相，母相和析出相仅在交界处晶格才有变形，大部分母相晶格未畸变，对导电率影响小，在导电率相同的情况下，沉淀强化效果比固溶强化效果更好。
沉淀强化铜合金主要添加Cr、Zr、Ti、Be等元素，大多数是活性元素，不
能大气熔炼，需要急冷固溶处理，随熔炼设备的进步和专用设备的开发，这部分问题已解决。
弓1线框架材料强化原则：
不强烈降低导电率前提下，提高其的强度。
常用的添加兀素有12种，添加范围大致可分为三档：
1、＜0.1%。
添加元素以磷居多，作用是脱氧、固溶、防止氢脆，同时与Fe、Mg
形成磷化物强化基体。
其它兀素按Mg、Sn、Si、Zr、Ag的顺序采用，除Si用于脱氧夕卜，其他都以强化为目的。
2、0.1-1%。
常加的元素按Sn、Fe、Zn、Cr、Si、Ti顺序采用。
Zn有防止软钎料剥离的作用，其他都是以强化为目的。
3、＞1%。
常加的元素有：
Sn、Ni、Fe等，以强化为目的。
目前共有66种框架合金，其中含Sn的有36种。
含铜＞99%的合金有34种，95—99%的有29种；＜95%的有3种。
高导型框架主要靠FesP、Mg3P2、C^Zr和Cr析出强化，强化效果比固溶小；
中导型框架材料以Fe及Ni2Si为强化相；
汽车同步器齿环
用复杂黄铜
铜箔
低导型框架材料目的是获得与Fe-Ni42合金相似的机械性能，最大利用析出、固溶
强化效果。
但析出物的残留会引起加工腐蚀，使冲压成形、电镀、钎焊性能下降，解决的办法是研究无析出残留的工艺。
日本有21家框架材料生产厂，生产各种牌号铜框架70余种。
导电率大于80%的
有30种，60-79%的有17种，40-50%的有8种，39%以下的有15种。
去除同一成分不同牌号的合金实际有66种。
按导电率和强度可分为：
高导型、中强中导型、低导中强型、低导型几种。
汽车的发展已逾百年，目前，世界汽车总量为5.8亿两，我国本世纪末约有2%
的家庭拥有小汽车，具有广阔发展前途。
汽车行业对国民经济有巨大拉动作用，其一元产值带动其他行业2.9元产值，1个就业机会带动7个就业岗位。
汽车同步器是启程变速器中重要的部件，它的作用是使汽车在1-1.2秒内完成加
速、减速和平稳换档，有利于减少油耗、降低噪音、提高汽车速度。
汽车变速方式有挂档发展到同步变速，使换档更加平稳。
国外汽车均采用同步变速方式，平均每辆车变速箱用3-5只同步环，重约1公斤，加上加工损耗需用齿环材料2公斤，则年需齿
环材料12800吨。
目前拖拉机、叉车、工程车辆也开始采用同步变速技术。
我国自主开发及引进车型的同步器材料主要依赖进口，是种用量大、应用面广极具市场潜力的合金系列，不但国内需求量大，而且国外特别是东南亚一带市场也十分广阔，具有重大的经济效益和社会效益。
汽车同步器齿环材料要求具有：
高强度、高耐磨、高耐蚀、良好的成形性，使用寿命在15万次以上，目前世界各国开发的同步器齿环材料多为包含3-9种元素的多元复杂黄铜，并根据不同车型采用不同的合金系列，形成了各自的专利技术如：
英美多采用Cu-AI-Mn-Ni-Co系合金；德国和日本开发出五元高强耐磨黄铜，组织为B相，加
入Al、Mn、Si等形成化合物强化相，与较软的a相形成耐磨机制。
我国汽车工业在改革开放以来，各类汽车已全面采用同步器变速技术，同时开展了汽车同步器齿环材料的研究，国产材料已在国产轻、重型载货汽车上得以广泛应用，例如：
国内研制的HAI61-4-3-1、HMn62-3-3-0.7满足轻型、重型载重汽车的要求。
80
年代以来洛阳铜加工厂研制了近13种牌号、20种规格的同步器齿环管材，代表规格
有：
①140X10、①103X9、①85X7.5、①76X8mm等，其中重型车用铝-铁-镍-锰系复杂黄铜、轻型车用铝-锰-硅系复杂黄铜获1992年有色金属工业总公司科技进步二等奖。
基本上形成了：
重型车（东风、解放）用Cu-Al-Si-Co-Fe-Ni系黄铜；轻型车（客货两用、客车）用Cu-Al-Mn-Si-Fe系黄铜；轿车用同步器齿环材料正在研制。
各种车型的同步器齿环材料性能如下：
车型
（TbMPa
S5%
寿命
重型车
640-740
>5%
30万次
轻型车
540-640
>10%
15万次
轿车
500-620
>15%
15万次
国内汽车同步器齿环材料的研究生产，同全面满足汽车工业的发展尚有很大的差距，表现在：
铜合金成分的选择、生产工艺方法、工艺装备技术、测试技术、实际应用、标准化、国际交流等方面。
目前尚无同步器齿环磨损试验、台架寿命试验装置，未与同步器生产厂建立协作关系。
电解铜箔生产工艺起源于1930年，由美国一家铜精炼厂试制成功。
50年代广泛用于
印刷电路板的生产。
印刷线路板要求铜箔具有与树脂基板良好的粘结强度、抗热性能和耐化学品腐蚀的性能、可印刷性、可刻蚀性、可焊接性等。
电解铜箔采用电化学方法生产，其原理如下，CuSO4电解液在包覆铅的阴极辊和铅
阳极间流过，产生如下电化学反应：
2H2O+2CuSO4=2Cu+2H2SO4+O2，在阳极表面形
成的气体引起电解液在阴极和阳极间强力循环，有利于铜以较高的速率沉积出来，形成电解铜箔，出离电解液后，铜箔经过剥离、清洗、烘干、卷绕形成电解铜箔卷。
目前电解铜箔生产设备包括：
生箔机、表面处理机。
以前以35卩m铜箔为主，目
前已可生产18卩m铜箔。
我国电解铜箔生产企业有15家，生产能力3.4万吨，但高档铜箔90%进口。
日本三
井物产三井铜箔在珠海建立三井铜箔（广东）有限公司，2002年9月25日投产，年
产铜箔2400吨；河南灵宝华鑫铜箔年产铜箔2400吨，一期工程投产1200吨，二期
工程正在建设；铜陵中金铜箔有限公司具有年产铜箔6800吨的能力，可生产高档黄
铜箔，其中10卩m锂电池铜箔已形成规模，二期工程可生产12、18卩m高档铜箔5000
吨。
上海金属带箔厂，生产出厚度0.01-0.025mm、宽度85-130mm手机锂电池用铜箔，
其厚度公差-0.003mm、宽度公差+0.02mm,抗拉强度320MPa，导电率95%。
采用特殊清洗剂超声波清洗。
水道管
铜水道管的特点
1、寿命长。
铜管的寿命大于50年，而镀锌管、铝塑管、塑料管寿命一般为10—
20年，镀锌管产生锈蚀，对水质产生污染；
2、强度咼、韧性好、抗压、抗碰、防水。
软态2”管材在地下可经受11次冻胀，
80C时10米铜管膨胀1.7厘米，而塑料管为17厘米，或软化不能用。
铜管$
15X0.7退火管材，20C时在》4MPa,80C时在2MPa下安全使用，而塑料管在2MPa下使用不安全，80C时已软化无法使用。
铜管成型温度在850C,而塑料
管成型温度在180—220C，因而铜管的耐火性明显优于塑料管；与铜管相比，聚丙烯塑料管收缩大，抗低温、抗冲击、耐老化性能差，PP—R管是改性塑料
管，其抗水锤、冲击性差，对硬物压入的抵抗力差。
3、耐蚀、抑菌、抗渗透、耐氧化。
塑料管与金属管件的膨胀不同，存在渗漏的可
能。
同时塑料管对油品的耐穿透性差，在原油中浸泡14天，质量增加8%,而
铜管则无质量增加。
改性的塑料管加入了抗光照的助剂，但时间一长，助剂蒸发，管材颜色变化，表面粗糙，质地变硬变脆。
另外铜水管对水中的大肠杆菌具有有效的抑制作用，大肠杆菌在铜管中5小时即被杀灭，这是其他材料的管
材所不具备的。
4、节能环保。
铜水管可100%回收利用，再生能源消耗仅占新水管生产的27%。
5、质优价廉。
一室一卫单元房，一次性投资比镀锌管高300—500元，但单位面积只增加10多元，考虑到铜水管的使用寿命，则性价比明显优于其他材料的管材。
铜水管的发展现状
供水管道应具有的性能：
抗震动冲击、水锤、热胀冷缩、寿命长、使用中不扁不炸。
目前的供水管材材质主要有：
铜管、塑料管、铝塑管、钢塑管、不锈钢管几种，铜水管的各项综合性能最好，在国外的普及率最高。
国际铜业协会的调查表
明，目前铜水道管在国外普及率英国达95%、美国、加拿大、澳大利亚达到85%、
新加坡达到75%。
我国铜水管由于过去铜资源的匮乏、人民生活水平的限制长期
使用镀锌管，因而造成我国铜水管在生产使用上落后国外一个世纪，改革开放后，
我国铜市场与国际接轨，铜资源充足，人民生活水平的提高，环保意识的增加，对水质要求不断提高，我国政府重视铜水管的推广应用工作，上海98年出台政
策在建筑上应用镀锌管，目前上海、深圳铜水管普及率从2000年的5%发展到
2002年的30%。
2000年8月30日建设部科技司、有色局发展规划司共冋发文《建科综[2000]060号》，在建筑行业推广使用铜水管，并制定了GB/T18033—200无
缝铜水管、铜气管标准，2000年9月1日执行，覆塑铜水管的标准也正在制订。
目前我国铜水管产量的年增长率达到30%以上的水平，1998年全国铜水管用量
为6500吨，2002年产量达到2万吨，预计到2010年全国铜水道管用量将达到全国铜管产量50万吨的一半，主要用于供气管、热水管、煤气管道等。
我国建筑用铜水管材质主要为磷脱氧铜，规格分为大、中、小系列，小管规格为
06—Q22X0.6—1.0mm，中等管材规格$25—^60X1.0—1.5mm，大管规格$70X
0219X1.5—4.0mm。
常用铜水管规格见下表：
常用铜水管规格（1巴=0.1N/mm2）
规格mm
最大尺寸mm
最小尺寸mm
壁厚mm
耐压（巴）
06
6.045
5.965
0.6
133
08
8.045
7.965
0.6
97
010
10.045
9.965
0.6
77
012
12.045
11.965
0.6
63
015
15.045
14.965
0.7
58
018
18.045
17.965
0.8
56
022
22.045
21.975
0.9
51
028
28.055
27.975
0.9
40
035
35.07
34.99
1.2
42
042
42.07
41.99
1.2
35
054
54.07
53.99
1.2
27
067
66.75
66.60
1.2
20
076.30
76.3
76.15
1.5
24
0108
108.25
108
1.5
17
0133
133.50
133.25
1.5
14
0159
159.50
159.25
2.0
15
铜水管的生产
小规格的铜水管采用盘拉，由舒马格连拉
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