5 Secretos del proceso de tratamiento térmico: Las propiedades de los metales de ingeniería al descubierto

Guía completa del tratamiento térmico: cómo funciona el procesamiento de metales

El tratamiento térmico puede parecer simplemente un proceso de calentar y enfriar metal. Sin embargo, para los ingenieros y especialistas en metales, es una forma cuidadosa y controlada de cambiar por completo el comportamiento de un material. No solo modificamos la temperatura de una pieza; modificamos su estructura atómica y sus patrones cristalinos para obtener propiedades mecánicas específicas, previsibles y repetibles. Esto se consigue controlando con precisión los ciclos de calentamiento y enfriamiento para provocar los cambios deseados en el material. Esta guía ofrece una visión técnica profunda de los principios de la ciencia de los metales que controlan estos cambios, de los principales procesos utilizados en la industria, de los factores importantes que garantizan el éxito y de los métodos de ensayo que confirman los resultados. Comprender estos elementos es lo que diferencia el simple calentamiento de la práctica avanzada de la ingeniería del tratamiento térmico, esencial para convertir una aleación metálica estándar en una pieza de alto rendimiento con resistencia, dureza y durabilidad personalizadas. El objetivo es ir más allá de las definiciones básicas y adentrarse en la ciencia fundamental para comprender y controlar la estructura final de un material y, por tanto, su rendimiento durante el uso.

Base científica: transformaciones de fase de los metales

Para controlar eficazmente un proceso de tratamiento térmico, primero debemos comprender la ciencia básica de los metales que lo sustenta. Las propiedades de un metal están directamente relacionadas con su microestructura: la disposición y el tipo de sus fases cristalinas. El tratamiento térmico es la herramienta que utilizamos para modificar esta microestructura. Esta sección explica el «por qué» detrás del «cómo» y proporciona los conocimientos teóricos esenciales para predecir e interpretar los resultados de cualquier proceso térmico.

Hoja de ruta del diagrama hierro-carbono

En los aceros, que son aleaciones de hierro y carbono, el diagrama de fases hierro-carbono (Fe-Fe3C) es la hoja de ruta más importante. Muestra las fases de equilibrio del acero a distintas temperaturas y concentraciones de carbono. Comprender este diagrama no es opcional: es la base sobre la que se construye todo tratamiento térmico del acero.

Las fases y estructuras clave que debemos definir son:

• Ferrita (α-hierro): estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) del hierro, con una solubilidad del carbono muy baja. Es blanda, flexible y magnética. Es la fase principal de los aceros bajos en carbono a temperatura ambiente.
• Austenita (γ-hierro): estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro que existe a altas temperaturas. Su característica principal es que puede disolver mucho más carbono, hasta un 2,14 % en peso, que la ferrita. Esta fase no es magnética y constituye el punto de partida de la mayoría de los procesos de endurecimiento.
• Cementita (Fe3C): compuesto de hierro y carbono muy duro y frágil, con un 6,67 % de C en peso. Aporta dureza al acero, pero en exceso puede provocar fragilidad.
• Perlita: microestructura laminar formada por capas alternas de ferrita y cementita, que se genera durante el enfriamiento lento de la austenita. Sus propiedades constituyen un equilibrio entre la ferrita blanda y la cementita dura.
• Martensita: estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) fuera del equilibrio, formada por el enfriamiento rápido (temple) de la austenita. Los átomos de carbono quedan atrapados en la red de hierro y provocan una distorsión extrema de la red. Esta distorsión es el origen de la elevada dureza y fragilidad características de la martensita.

El diagrama también destaca las temperaturas críticas que controlan los cambios de fase:

• A1, temperatura crítica inferior: temperatura eutectoide, 727 °C o 1341 °F, a la que la austenita se transforma en perlita al enfriarse. Por debajo de esta temperatura, la austenita no es estable.
• A3, temperatura crítica superior: temperatura a la que se completa la transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento. Esta temperatura varía con el contenido de carbono.
• Acm: temperatura a la que se completa la transformación de cementita en austenita durante el calentamiento de aceros hipereutectoides, con un contenido de carbono >0,76 %.

Principio de la alotropía

Todo el campo del tratamiento térmico del acero es posible gracias a una propiedad denominada alotropía. Es la capacidad de un elemento para existir en más de una estructura cristalina. En el hierro, la transformación alotrópica crítica es el cambio de su estructura BCC a temperatura ambiente, la ferrita, a su estructura FCC a alta temperatura, la austenita.

Cuando calentamos el acero por encima de la temperatura A3, los átomos de hierro se reorganizan de BCC a FCC. Los espacios entre los átomos son mayores en la estructura de austenita FCC, lo que permite disolver el carbono presente en la fase de cementita del acero. Así se crea una solución sólida de carbono en hierro. Esta transformación es la clave que «desbloquea» la microestructura del acero y permite controlar posteriormente sus propiedades durante el enfriamiento. Sin este cambio de BCC a FCC, el carbono permanecería atrapado en la cementita y el endurecimiento sería imposible.

Diagramas de transformación tiempo-temperatura

Aunque el diagrama Fe-Fe3C muestra lo que ocurre en equilibrio, es decir, con un enfriamiento muy lento, la mayoría de los procesos de tratamiento térmico implican un enfriamiento fuera del equilibrio. Para comprender estos escenarios dinámicos utilizamos los diagramas de transformación tiempo-temperatura (TTT) y de transformación por enfriamiento continuo (CCT).

Estos diagramas son mapas dinámicos para una composición de acero específica. Representan la temperatura frente al tiempo (en una escala logarítmica) y muestran qué microestructuras (por ejemplo, perlita, bainita o martensita) se formarán si el acero se mantiene a una temperatura determinada (TTT) o se enfría a una velocidad concreta (CCT). Por ejemplo, un diagrama CCT para un acero al carbono simple mostrará que, para obtener una estructura completamente martensítica, la velocidad de enfriamiento debe ser suficientemente rápida —a menudo superior a 200 °C por segundo— para evitar la «nariz» de la curva de formación de perlita. Si el enfriamiento es demasiado lento, la austenita se transformará en perlita o bainita más blandas antes de convertirse en martensita. Estos diagramas son herramientas de ingeniería esenciales para diseñar ciclos de temple que permitan obtener la microestructura deseada.

Análisis de los procesos primarios

Una vez establecida la base científica, podemos analizar sistemáticamente los principales procesos de tratamiento térmico. Cada proceso utiliza los principios de transformación de fase, pero aplica ciclos térmicos específicos —calentamiento, permanencia y enfriamiento— para alcanzar un objetivo de ingeniería concreto. Comprender las diferencias entre sus parámetros y resultados es fundamental para seleccionar el tratamiento correcto para una aplicación determinada.

Recocido para máxima blandura

El objetivo principal del recocido es producir un material en su estado más blando y flexible. A menudo se realiza para aliviar las tensiones internas derivadas de trabajos anteriores, como el conformado en frío, mejorar la maquinabilidad o refinar la estructura del grano antes de un endurecimiento posterior.

El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura situada dentro de su intervalo de austenización o ligeramente por encima, por ejemplo, justo por encima de A3 en un acero hipoeutectoide. Después se mantiene a esa temperatura, en una etapa denominada permanencia, el tiempo suficiente para que toda la pieza alcance una temperatura uniforme y la austenita se vuelva homogénea. La etapa más crítica es el enfriamiento. En un recocido completo, la pieza se enfría extremadamente despacio, normalmente dejándola dentro del horno mientras este se enfría durante muchas horas. Este enfriamiento lento permite que la austenita se transforme en perlita gruesa y ferrita, lo que produce una dureza mínima y una ductilidad máxima.

Normalizado para el refinamiento del grano

El normalizado comparte con el recocido un ciclo de calentamiento similar, pero tiene un método y un objetivo de enfriamiento claramente distintos. La meta no es alcanzar la máxima blandura, sino crear una microestructura perlítica más uniforme y de grano fino. Este refinamiento mejora tanto la resistencia como la tenacidad frente a una pieza recocida.

El proceso comienza calentando el acero a una temperatura ligeramente superior a la del recocido, normalmente unos 50 °C, o 90 °F, por encima de la línea A3 o Acm. Esto garantiza que todas las microestructuras anteriores se disuelvan por completo en una fase austenítica homogénea. Tras la permanencia, la pieza se saca del horno y se deja enfriar al aire tranquilo. Esta velocidad de enfriamiento moderadamente rápida es mayor que la del enfriamiento en horno, pero mucho menor que la del temple. Evita la formación de perlita gruesa y produce, en su lugar, una distribución más fina y uniforme de ferrita y perlita. Esta estructura refinada hace que el material responda mejor a los tratamientos de endurecimiento posteriores.

Endurecimiento mediante temple

El endurecimiento, o temple, se realiza para alcanzar la máxima dureza y resistencia al desgaste. El objetivo es transformar la microestructura del acero en casi un 100 % de martensita. Este es el proceso utilizado para herramientas, rodamientos, engranajes y otros componentes que requieren una superficie dura.

El proceso requiere calentar el acero hasta el rango austenítico, igual que en el recocido y la normalización. Después de un mantenimiento a la temperatura adecuado, la pieza se somete a un enfriamiento rápido, o temple. Esto se logra sumergiendo el componente en un medio capaz de extraer el calor rápidamente, como agua, aceite o una solución polimérica especializada. La velocidad de enfriamiento debe ser suficiente para evitar la «nariz» de la curva TTT/CCT e impedir que la austenita se transforme en fases más blandas, como perlita o bainita. En su lugar, la austenita se transforma en martensita a baja temperatura (la temperatura de inicio de la martensita, o Ms).

En la práctica, es fundamental seleccionar la velocidad de temple adecuada. Si es demasiado lenta, no se alcanza la dureza total y se obtiene un temple insuficiente con zonas blandas. Si es demasiado rápida —por ejemplo, al usar agua con un acero que debe templarse en aceite—, las enormes tensiones térmicas pueden hacer que la pieza se agriete o se deforme, especialmente en componentes con geometrías complejas o esquinas pronunciadas.

Revenido para obtener tenacidad

Una pieza recién templada se encuentra en un estado de máxima dureza, pero también de máxima fragilidad. La estructura martensítica presenta grandes tensiones y es demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones prácticas; un impacto fuerte podría hacerla quebrarse. El revenido es un tratamiento posterior al temple esencial para reducir esta fragilidad y aliviar las tensiones internas.

El proceso consiste en recalentar la pieza endurecida hasta una temperatura específica inferior a la temperatura crítica inferior, A1, aproximadamente 727 °C. La temperatura de revenido elegida supone un compromiso: las temperaturas más altas proporcionan mayor tenacidad y ductilidad, pero reducen la dureza y la resistencia. La pieza se mantiene a esa temperatura durante un tiempo establecido, por ejemplo, de una a dos horas, y después se enfría. Durante el revenido, la martensita BCT inestable comienza a descomponerse en una mezcla más estable de ferrita y precipitados de carburo muy finos. Esta nueva microestructura, conocida como martensita revenida, conserva una parte importante de la dureza original y adquiere una medida fundamental de tenacidad.

Tabla 1: Resumen comparativo de los principales procesos de tratamiento térmico

Variables críticas de control del proceso

Pasar de la teoría a la práctica requiere controlar con precisión varias variables clave. Las desviaciones en estos parámetros pueden provocar propiedades incoherentes, deformación de las piezas o incluso fallos catastróficos. Obtener una microestructura especificada y las propiedades mecánicas deseadas no es fruto del azar, sino del control meticuloso del proceso.

Velocidad y uniformidad del calentamiento

La velocidad a la que se calienta una pieza y la uniformidad de ese calor son factores críticos, especialmente en geometrías complejas o secciones grandes. Si una zona de la pieza se calienta mucho más rápido que otra, los gradientes térmicos resultantes pueden generar tensiones internas importantes. Estas tensiones pueden causar deformación, como alabeo, o, en casos graves, grietas incluso antes de que comience la etapa de temple.

Para reducir este riesgo, en componentes sensibles suelen utilizarse etapas de precalentamiento a temperaturas más bajas. El tipo de horno también desempeña un papel importante. Los hornos discontinuos son habituales, pero en la producción de grandes volúmenes los hornos continuos con varias zonas de temperatura ofrecen un mejor control. Los hornos de vacío proporcionan la máxima uniformidad térmica y evitan la oxidación superficial, algo fundamental en componentes aeroespaciales y médicos.

Tiempo de permanencia para la transformación

Una vez que la pieza alcanza la temperatura objetivo, debe mantenerse en ella durante un tiempo específico, conocido como tiempo de permanencia. Este tiempo tiene dos objetivos: primero, garantizar que toda la sección transversal de la pieza, desde la superficie hasta el núcleo, alcance la temperatura uniforme deseada; segundo, permitir que se completen las transformaciones metalúrgicas necesarias. En el acero, esto significa dar tiempo suficiente para que todas las fases de carburo se disuelvan por completo en la austenita.

Una regla práctica habitual es mantener la pieza durante una hora por cada pulgada de espesor de la sección transversal. Sin embargo, esto solo sirve como punto de partida. El tiempo necesario también depende del tipo de aleación y de la microestructura inicial. Un tiempo de permanencia insuficiente produce una estructura austenítica no homogénea, que dará lugar a propiedades incoherentes después del temple y a menudo se manifiesta como zonas blandas durante el ensayo de dureza.

La ciencia del enfriamiento

La etapa de enfriamiento o temple es posiblemente la parte más crítica y menos tolerante del proceso de endurecimiento. La velocidad de enfriamiento determina directamente la microestructura final. Como muestra un diagrama CCT, debe superarse una velocidad crítica de enfriamiento específica para formar martensita. Por tanto, seleccionar el medio de temple es una decisión de ingeniería crucial. Cada medio tiene una capacidad de enfriamiento característica, o severidad de temple.

La elección del medio de temple depende de la templabilidad del acero, es decir, de su capacidad para formar martensita en profundidad. Los aceros de baja aleación tienen una templabilidad baja y requieren un temple muy rápido, como en agua o salmuera, mientras que los aceros para herramientas de alta aleación tienen una templabilidad elevada y pueden endurecerse con un temple más lento, como en aceite o incluso en aire. Utilizar un medio de temple demasiado agresivo para el material es una causa principal de grietas de temple.

Tabla 2: Características de los medios de temple habituales

Técnicas avanzadas y especializadas

Además de los cuatro procesos principales, existe una serie de tratamientos térmicos avanzados y especializados para cumplir requisitos de rendimiento específicos y exigentes. Estas técnicas suelen centrarse en las propiedades superficiales o están diseñadas para aleaciones no ferrosas, lo que demuestra la amplitud y adaptabilidad del procesamiento térmico metalúrgico.

Métodos de endurecimiento superficial

En muchas aplicaciones, como engranajes, ejes y rodamientos, el componente ideal tiene una doble naturaleza: una superficie extremadamente dura y resistente al desgaste para soportar el contacto y la fricción, y un núcleo más blando, tenaz y flexible que absorba los impactos y resista el fallo por fatiga. El endurecimiento superficial, o endurecimiento de capa, es una familia de procesos diseñada para conseguirlo.

• Carburación: es uno de los métodos más habituales. Una pieza de acero con bajo contenido de carbono se calienta en una atmósfera rica en carbono (gas, líquido o material sólido de cementación). Los átomos de carbono se difunden hacia la superficie de la pieza y crean una «capa endurecida» con alto contenido de carbono. A continuación, la pieza se templa y reviene. La capa rica en carbono se convierte en martensita muy dura, mientras que el núcleo con bajo contenido de carbono conserva una microestructura más tenaz y blanda.
• Nitruración: en este proceso, el nitrógeno se difunde en la superficie de una pieza de acero, normalmente una que contiene elementos formadores de nitruros como aluminio, cromo o molibdeno. Se realiza a una temperatura relativamente baja, alrededor de 500 °C, y no requiere temple. El nitrógeno forma nitruros metálicos extremadamente duros en la superficie, lo que proporciona una resistencia excepcional al desgaste, propiedades antiagarrotamiento y una vida a fatiga mejorada con una deformación mínima.
• Endurecimiento por inducción: este método utiliza la inducción electromagnética para calentar rápidamente una zona superficial localizada de una pieza. Se hace pasar una corriente alterna por una bobina de cobre, que induce corrientes parásitas en la pieza de acero y genera un calor intenso en muy poco tiempo. Cuando la superficie alcanza la temperatura de austenización, se corta la alimentación y la superficie se templa inmediatamente, a menudo mediante un rociador integrado en el conjunto de la bobina. Esto crea una capa martensítica dura mientras el núcleo permanece inalterado. Es un proceso rápido, limpio y muy controlable, ideal para fabricar en grandes volúmenes piezas como semiejes y muñequillas de cigüeñal.

Endurecimiento por precipitación o envejecimiento

Aunque los procesos analizados hasta ahora se aplican principalmente a los aceros, muchas aleaciones no ferrosas, como las basadas en aluminio, níquel y titanio, obtienen su resistencia mediante un mecanismo diferente: el endurecimiento por precipitación, también conocido como endurecimiento por envejecimiento. Estas aleaciones no pueden endurecerse mediante transformación martensítica.

El proceso consta de tres pasos:

1. Tratamiento de solubilización: la aleación se calienta a una temperatura elevada para disolver todos los elementos de aleación en una solución sólida monofásica.
2. Temple: la aleación se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente, atrapando los elementos de aleación en una solución sólida sobresaturada. En este estado, el material es relativamente blando.
3. Envejecimiento: la pieza se recalienta hasta una temperatura intermedia más baja y se mantiene durante un periodo prolongado, o en ocasiones se envejece a temperatura ambiente. Durante esta etapa, los elementos de aleación atrapados precipitan de la solución en forma de partículas extremadamente finas y dispersas. Estas partículas actúan como obstáculos al movimiento de las dislocaciones dentro de la red cristalina y aumentan considerablemente la resistencia y la dureza de la aleación.

Entre las aleaciones habituales endurecibles por envejecimiento se incluyen varias series de aluminio, como 6061 y 7075 para aplicaciones aeroespaciales y estructurales, y aleaciones de alto rendimiento como el acero inoxidable 17-4 PH y el Inconel 718.

Tratamiento criogénico para mejorar el rendimiento

El tratamiento criogénico es un proceso complementario que lleva el rendimiento del material más allá de lo que puede lograrse únicamente con el tratamiento térmico convencional. Consiste en congelar profundamente los materiales hasta temperaturas inferiores a -150 °C, o -240 °F, después del temple inicial y antes o después del revenido.

El objetivo principal es garantizar la transformación completa de la austenita retenida. En muchos aceros endurecidos, especialmente en los de alto contenido de carbono y alta aleación, un pequeño porcentaje de austenita puede no transformarse en martensita durante el temple. Esta «austenita retenida» es blanda e inestable dimensionalmente. El frío intenso del tratamiento criogénico aporta la energía necesaria para completar esta transformación y obtener una estructura martensítica más uniforme. Un beneficio secundario es la precipitación de carburos «eta» (η) muy finos, que mejora aún más la resistencia al desgaste. Este proceso se utiliza para aumentar la vida útil y la estabilidad dimensional de herramientas de corte, rodamientos y componentes de motores de alto rendimiento.

Análisis técnico y control de calidad

El objetivo del tratamiento térmico es proporcionar un material con propiedades específicas y diseñadas. El análisis técnico y el control de calidad (QC) son los métodos que utilizamos para verificar que se ha cumplido ese objetivo. Estos ensayos proporcionan los datos objetivos necesarios para confirmar que el proceso térmico se ha ejecutado correctamente y que el componente resultante funcionará según lo previsto.

Pruebas de Propiedades Mecánicas

Los ensayos mecánicos miden directamente las propiedades relevantes para el rendimiento durante el servicio. Son la prueba definitiva de un tratamiento térmico satisfactorio.

• Ensayo de dureza: es la prueba de control de calidad más habitual, rápida y rentable en el tratamiento térmico. Mide la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo, una indentación). El valor obtenido es un indicador sólido de la resistencia al desgaste y de la resistencia a la tracción. Los métodos principales son Rockwell (mide la profundidad de la indentación), Brinell (mide el diámetro de la indentación producida por una bola grande) y Vickers/Knoop (utiliza un penetrador de diamante, ideal para zonas pequeñas o capas finas). Un ensayo de dureza puede confirmar rápidamente si una pieza ha alcanzado la estructura martensítica prevista o si se ha revenido correctamente.
• Ensayo de tenacidad: la tenacidad mide la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fracturarse. Es especialmente importante en componentes sometidos a cargas de impacto. Los ensayos de impacto Charpy o Izod son métodos estándar. En estas pruebas, un péndulo lastrado golpea una probeta entallada y se mide la energía absorbida por la probeta durante la fractura. Este ensayo es esencial para comprobar que el revenido ha reducido correctamente la fragilidad de una pieza endurecida.

Análisis microestructural mediante metalografía

Mientras que los ensayos mecánicos nos indican «qué» propiedades tiene un material, el análisis microestructural explica «por qué». La metalografía consiste en preparar y examinar la microestructura de un material con un microscopio. Proporciona una confirmación visual directa del resultado del tratamiento térmico.

El proceso consiste en cortar cuidadosamente una muestra representativa de una pieza, montarla en un polímero, desbastarla y pulirla hasta obtener un acabado similar al de un espejo y, después, atacarla con un reactivo químico. El reactivo de ataque afecta selectivamente a distintas fases y límites de grano a velocidades diferentes y revela la microestructura al observarla al microscopio. Un metalúrgico experimentado puede identificar las fases presentes, como martensita, perlita y austenita retenida, evaluar el tamaño de grano, comprobar la profundidad de capa de una pieza endurecida superficialmente y buscar características perjudiciales, como descarburación o microgrietas. Comparar visualmente la microestructura de una muestra de acero recocido con la de una muestra endurecida demuestra el profundo cambio estructural, de una perlita gruesa y laminar a una martensita fina y acicular.

Inspección No Destructiva (NDT)

Las intensas tensiones térmicas que intervienen en el tratamiento térmico, especialmente durante el temple, pueden inducir a veces defectos como grietas superficiales o subsuperficiales. Estos defectos pueden actuar como concentradores de tensión y provocar un fallo prematuro durante el servicio. Los métodos de ensayos no destructivos (END) se utilizan para inspeccionar los componentes sin dañarlos. Entre los métodos habituales después del tratamiento térmico se incluyen el ensayo de partículas magnéticas, para materiales ferromagnéticos, que utiliza limaduras de hierro para revelar las grietas abiertas a la superficie, y el ensayo ultrasónico, que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para detectar defectos superficiales e internos.

Tabla 3: Guía de métodos de verificación posteriores al tratamiento

Conclusión: una disciplina controlada

Hemos recorrido los principios fundamentales de las transformaciones de fase, guiados por el diagrama hierro-carbono, y la ejecución práctica del recocido, normalizado, endurecimiento y revenido. También hemos analizado las variables críticas de control que determinan el éxito y las técnicas avanzadas que amplían los límites del rendimiento. Por último, hemos revisado los métodos de verificación que cierran el ciclo y confirman que se han alcanzado las propiedades deseadas.

Este análisis general refuerza una idea central: el tratamiento térmico no es un arte, sino una disciplina de ingeniería controlada. Es una piedra angular de la fabricación moderna y una herramienta potente que permite tomar un material común y adaptar con precisión su estructura interna a las aplicaciones más exigentes. El verdadero éxito de ingeniería en este campo nace de comprender a fondo la ciencia subyacente y aplicar un control y una verificación meticulosos del proceso.

• Galvanoplastia - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
• Anodizado - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing
• ScienceDirect Topics - Tratamiento electroquímico de superficies https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electrochemical-surface-treatment
• ASTM International - Normas de tratamiento de superficies https://www.astm.org/
• Asociación para la Protección y el Rendimiento de los Materiales (AMPP) https://ampp.org/
• ASM International - Ingeniería de superficies https://www.asminternational.org/
• NIST - Ciencia de la medición de materiales https://www.nist.gov/mml
• SpringerLink - Tecnología de superficies y revestimientos https://link.springer.com/journal/11998
• Materiales hoy - Ingeniería de superficies https://www.materialstoday.com/
• SAE International - Normas de tratamiento de superficies https://www.sae.org/

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