BR112012018084B1 - Liga de titânio secundário - Google Patents

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Abstract

liga de titânio secundário e processo de fabricação de liga de titânio secundário a presente invenção se relaciona à produção de ligas de titânio alfa-, quase alfa-, e alfa+beta, a partir de matérias primas secundárias usadas principalmente na fabricação de material laminado, partes estruturais, e blindagem estrutural para setores de defesa e civis. a liga é caracterizada pela composição química (em % em peso): 0,01 a 6,5 de al; 0,01 a 5,5 de v; 0,05 a 2,0 de mo; 0,01 a 1,5 de cr; 0,1 a 2.5 de fe; 0,01 a 0,5 de ni; 0,01 a 0,5 de zr; 0,01 a 0,25 de si, o até 0,3; c até 0,1; n até 0,07; e o restante de ti. a mistura é formulada com base na resistência a tração requerida, enquanto o conteúdo dos elementos de liga é calculado com base no valor de projeto de equivalente de resistência de alumínio e molibdênio. a liga proposta e a técnica de sua fabricação ajudam a resolver o problema de introdução de uma ampla de gama de titânio na fabricação de produtos acabados com processamento e comportamento estrutural requeridos.

Description

Campo da Invenção
[001] A invenção se relaciona à produção de ligas de Titânio α- quase α-, α+β, tendo propriedades mecânicas controladas, especificamente, resistência a tração, a partir de materiais primas secundárias. Estas ligas são usualmente principalmente usadas na fabricação de materiais laminados, partes estruturais, e blindagens estruturais para setores de defesa e civis.
Estado da Técnica
[002] O alto custo do Titânio (e suas ligas) (esponja de Titânio em primeiro lugar) constitui o principal obstáculo à ampla aplicação do Titânio. A tendência recente de buscar uma maior eficiência de custo para as ligas de Titânio reside no uso de sucatas recicláveis, que ajuda a reduzir o custo de ligas secundárias em 30% ou mais, preservando as propriedades estruturais inerentes às ligas de Titânio.
[003] É fato conhecido que os custos relativos à obtenção de material de carga representam em média até 90% de todos os gastos no custo primário de ligas de Titânio. Cada 10% de sucata introduzida reduz o custo de material de carga de 5% a 8%. Introduzindo 10% de sucata como material de carga per 1 tonelada de lingotes de Titânio, poupa-se em média 100 kg de esponja e 10 kg da liga principal (Titânio, V.A.Garmata et al M Metallurgy 19873 pp 526).
[004] O Titânio e suas ligas são usados para produzir itens semi-acabados similares àqueles feitos a partir de metais e ligas comerciais (chapas, tiras, placas, barras, forjados, etc..). Por conseguinte, todos tipos de sucata convencionais (sólidos, de usinagem, retalhos, etc.) são gerados na fabricação de itens semi-acabados e partes acabadas de ligas de Titânio. A quantidade total de sucata anteriormente gerada no curso de fabricação e aplicação de Titânio e ligas de Titânio é muito alta, e corresponde a cerca de 70% dos materiais de carga usados para fundição, um número que não vem variando muito ao longo do tempo (Melting and Casting of Titanium Alloys A. L. Andreyev N.F. Anoshkin et al, M. Metallurgy. Diferentemente do que ocorre com a maior parte dos metais, a introdução de sucata de Titânio reciclável na produção se dá em uma extensão limitada.
[005] A presente invenção leva em conta o fato de as ligas de Titânio serem geralmente produzidas combinando o Titânio com os seguintes elementos (cujo valores em parêntesis se referem à concentração máxima em porcentagem em peso do elemento na liga): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0.5); onde ligas com Nb (2) e Ta (5) são menos comuns. Variedades de ligas de Titânio e diferentes quantidades produzidas tornam difícil a fundição de ligas de Titânio secundário mais barato com propriedades de resistência controlada, porque é prática comum controlar o comportamento de ligas de Titânio para obter propriedades de resistência com uma composição química de elementos de liga específicos de faixa estreita.
[006] Os elementos de liga são divididos em três grupos, de acordo com sua influência nas propriedades das ligas de Titânio: - estabilizadores-α, (Al, O, N, e outros) que aumentam a temperatura de transformação αθβ, e estendem a faixa de soluções sólidas baseadas em Titânio-a; - estabilizadores-β - isomorfos (Mo, V, Ni, Ta, etc.) que diminuem a temperatura de transformação αθβ e estendem a faixa de soluções sólidas baseadas em Titânio-e; e elementos geradores de eutetóides (Cr, Mn, Cu, etc.) que tendem a formar compostos intermetálicos com Titânio; - elementos neutros (reforçadores) (Zr e Sn) que não exercem nenhuma influência significativa em temperatura “beta-transus” e não mudam composição de fase das ligas de Titânio.
[007] O efeito complexo destes grupos durante a fusão de uma liga com propriedades de projeto é controlado não apenas pela composição qualitativa e quantitativa dos próprios grupos, mas também pela mútua influência destes grupos.
[008] Para ligas de Titânio de liga complexa (com faixas de porcentagem em peso consideráveis de elementos de liga), a declaração que um resultado técnico baseado na fusão de uma liga com nível desejado de resistência, dutilidade, e estrutura é garantido pela composição qualitativa e quantitativa da liga e que pode ser automaticamente conseguido usando composição similar, não é correta.
[009] Uma liga protótipo baseada em Titânio conhecida (JP2006034414A, 09.02.2006) se caracteriza pela seguinte composição química, (em % em peso): Alumínio 1-6,0 Vanádio 0,1-15,0 Molibdênio 0,1-11,0 Cromo 0,1-7,0 Ferro 0,1-4,0 Níquel 0,1-9,0 Zircônio 0,1-10,0 Nitrogênio <0,07 Nitrogênio, Oxigênio, Carbono impurezas Titânio restante
[0010] Esta liga é um metal ligado complexo e suas propriedades são controladas pelo efeito de cerca de 7 elementos de liga pertencentes a três grupos, que influenciam o poliformismo do Titânio. Ao protótipo e às ligas correntemente conhecidas falta um controle quantitativo exato da composição de liga de Titânio no curso da fundição, com isto, combinações de ligas com grandes variações em quantidades produzem enormes variações de resistência, escoamento, e estrutura nos limites desta liga. Portanto, sua aplicação em artigos de engenharia é limitada a partes não- críticas e se caracteriza pelo uso irracional de elementos de liga caros. Isto se torna um problema crítico, uma vez que a razão entre o conteúdo requerido de elementos de liga em uma liga secundária e sua presença na sucata entra em conflito. É por causa disto, que a quantidade máxima de sucata correntemente usada em ligas críticas não excede 30%.
[0011] Há um método conhecido de fundição de lingotes, incluindo preparação de carga, i.e. uma primeira fundição feita em forno basculante, e subsequente geração de eletrodo de lingote cilíndrico em um molde. Depois deste lingote - eletrodo é refundido em um forno de arco a vácuo (Patente RF No2263721, IPC C22B9/20) publicado em 10.11.2005)- protótipo. Este método provê uma produção estável de lingotes de qualidade. A fundição em forno basculante é usada para formar uma poça de fundido, onde o metal é mantido em estágio líquido por um período de tempo bastante longo. Isto facilita a mistura, da composição metálica, refinando com inclusões de gás e voláteis, enquanto partículas de alta densidade são quer dissolvidas, ou, se tendo uma densidade maior, são separadas do lingote fundido. A segunda fundição em forno VAR resulta na fundição de lingotes com estrutura homogênea densa de grão fino.
[0012] O método tem o inconveniente de a fundição de ligas de Titânio complexo com um comportamento controlado de resistência ser muito difícil, em razão da mistura imprevisível de sucatas introduzida no fundido, que produz uma ampla variação de características mecânicas e de processamento do material.
Descrição da Invenção
[0013] O propósito da invenção é produzir uma liga de Titânio secundária tendo propriedades de resistência controladas diferindo das propriedades de projeto no máximo de 10%, com a introdução de 100% sucatas recicláveis de ligas de Titânio de composição química arbitrária.
[0014] Um resultado técnico será obtido com uma liga de Titânio secundária com comportamento de processamento e resistência estável controlado, usando uma ampla gama de sucatas recicláveis de Titânio de diferentes composições, economizando em elementos químicos mais caros, e aumentando a flexibilidade de processo para ligas de Titânio secundário.
[0015] Tal resultado para uma liga de Titânio secundário contendo Alumínio, Vanádio, Molibdênio, Cromo, Ferro, Níquel, Zircônio, Nitrogênio, Oxigênio, Carbono, e Titânio, usada para produzir materiais laminados, partes estruturais, e blindagem estrutural, pode ser conseguido com adição especial de Silício, com as seguintes porcentagens em peso dos componentes de liga: Alumínio 0,01-6,5 Vanádio 0,01-5,5 Molibdênio 0,05-2.0 Cromo 0,01-1,5 Ferro 0,1-2,5 Níquel 0,01-0,5 Zircônio 0,01-0,5 Nitrogênio <0,07 Oxigênio <0,3 Carbono <0,1 Silício 0,01-0,25 Titânio restante
[0016] Em adição, valores de resistência equivalentes de Molibdênio
Figure img0001
e Alumínio, são calculados com fórmulas:
Figure img0002
= Al+Zr/3+20* O+33*N+12*C+3.3*Si(% em peso) (1)
Figure img0003
= Mo+V/1.7+Ni+Cr/0.8+Fe/0.7, (% em peso) (2) igual a
Figure img0004
= 2,1- 5,6;
Figure img0005
= 6,1-8,83 para material laminado;
Figure img0006
=2,1-+5,6;
Figure img0007
= 8,84-12,1 para partes estruturais;;e
Figure img0008
= 5,7- 11;
Figure img0009
= 6,1-12,1 para blindagem estrutural.
[0017] O resultado técnico é garantido pelo processo de fabricação de liga de Titânio secundário, usado para produção de materiais laminados, partes estruturais, e blindagens estruturais. Esse processo inclui preparação de carga, fabricação de eletrodo consumível, seguida de fusão de eletrodo em um forno de arco a vácuo. A carga é principalmente formulada a partir de uma sucata reciclável de liga de Titânio, e misturada com base no valor de projeto de resistência à tração, calculada com a fórmula:
Figure img0010
onde σdв é o valor de projeto para a resistência à tração, enquanto equivalentes de resistência para Molibdênio
Figure img0011
e Alumínio
Figure img0012
são calculados baseados na composição usando as seguintes fórmulas:
Figure img0013
= Ai + zr/3+20• o+33•N+12•C+3,3•Si (% em peso) (1)
Figure img0014
= Mo+V/1,7+Ni+Cr/0.8+Fe/0,7, (% em peso) (2)
[0018] A fusão é feita para produzir uma liga do par.1.
[0019] A natureza da presente invenção é baseada na viabilidade de produzir ligas de Titânio com um comportamento de resistência rigidamente controlado a partir de uma enorme variedade de sucatas de Titânio recicláveis de diferentes composições químicas. A fusão de ligas críticas com propriedades controladas requer limites estreitos para as faixas de elementos, que inevitavelmente provê uma introdução limitada de sucata na produção de ligas. A discrepância técnica pode ser eliminada por uma ferramenta que controla a razão dos elementos de liga na liga reivindicada, em adição a seleção ótima dos elementos de liga.
[0020] A liga reivindicada, tendo uma resistência equivalente de Molibdênio quase idêntica (com base em características acionados de resistência e processamento) para materiais laminados e ligas estruturais, se caracteriza por uma resistência equivalente de Alumínio, definida na faixa de 6,1 a 6,83 para materiais laminados e 8,84 a 12,1 para ligas estruturais, no exemplo. A limitação se deve ao aumento de liga de solução sólida, em consequência
Figure img0015
aumenta, que promove o endurecimento de solução sólida, que, por sua vez, deteriora a dutilidade. A resistência equivalente acima de 8,83 pré-condiciona trincamento durante a laminação.
[0021] Ao contrário,
Figure img0016
dentro de 8,84-12,1 - a ferramenta de reforço mais efetiva em ligas estruturais - mantém o nível aceitável de característica de processamento.
[0022] O equivalente de Molibdênio para ligas principalmente usadas em blindagens estruturais é muito mais alto e cai dentro de
Figure img0017
5,7-11. Isto porque as ligas de Titânio com dureza controlada por adição de liga têm resistência a prova de bala mais alta e suscetibilidade a fragmentação traseira mais baixa que ligas tratadas termicamente para a mesma dureza.
[0023] Para uma aplicação de blindagem a prova de bala é prático usar ligas de Titânio com estrutura α+β (depois do recozimento), onde o nível de propriedades mecânicas é determinada pelas características de fases α+β homogeneidade de estrutura e tipo.
[0024] O tratamento de tempera deteriora o comportamento a prova de bala e promove uma suscetibilidade ao cisalhamento de ligas de Titânio, associada ao endurecimento máximo de ligas de Titânio α+β e diminuição aguda das propriedades plásticas.
[0025] A composição química da liga é selecionada com respeito aos elementos de liga, disponíveis em sucata de Titânio reciclável.
Grupo de estabilizadores-α
[0026] Alumínio, usado quase em toda liga comercial, é o reforçador mais efetivo para aumentar resistência e comportamento de alta temperatura do Titânio. O conteúdo convencional de Alumínio na liga fica entre 0,01 e 6,5%. Uma quantidade de Alumínio acima de 6,5% diminui dutilidade.
[0027] Nitrogênio, Oxigênio, e Carbono aumentam a temperatura de transformação alotrópica de Titânio e presentemente aparecem principalmente como impurezas em ligas de Titânio comerciais. O impacto destas impurezas no comportamento da liga de Titânio é tão substancial que deveria ser considerada no cálculo de fórmula da mistura, para obter propriedades mecânicas nos limites requeridos. Uma quantidade de Nitrogênio menor que 0,7%, de Oxigênio menor que 0,3%, e de Carbono menor que 0,1% não exerce efeito importante para diminuir estabilidade térmica, resistência a deformação, e impacto da liga.
Grupo de reforçadores neutros
[0028] O Zircônio vem sendo usado como elemento de liga. O Zircônio provê uma ampla faixa de soluções sólidas com Titânio-a com ponto de fusão e densidade similar e promove a resistência à corrosão. Uma micro-liga de Zircônio dentro de 0,01% a 0,5%, provê uma boa combinação de resistência e dutilidade em forjamento pesado, e forjamento por matriz e também em produtos semi-acabados leves (barras, chapas, placas), e permite trabalho a frio (ou morno) com razão de recalque de até 60%.
Grupo de estabilizadores-β - amplamente usados em ligas comerciais (V, Mo, Cr, Fe, Ni, e Si).
[0029] O Vanádio e Ferro são elementos estabilizadores-β, que aumentam a resistência de liga, e mantém sua dutilidade quase em um nível inalterado. O conteúdo de Vanádio na liga reivindicada em comparação com o protótipo é baixado para uma faixa de concentração entre 0,01% a 5,5%, permitindo a introdução de diferentes misturas de sucata de Titânio. O conteúdo de Vanádio acima de 5,5% indesejavelmente deteriora a dutilidade.
[0030] Quando o conteúdo de Ferro é menor que 0,1%, seu efeito não é suficiente, mas se aumentado acima de 2,5%, produz uma indesejável diminuição da dutilidade da liga.
[0031] A liga reivindicada tem uma pequena quantidade de Cromo estabilizador-β, que também contribui para aumentar a resistência da liga. Mas, se o conteúdo de Cromo for menor que 0,019%, seu efeito não será apreciável, mas em um limite superior a 1,5%, é pré-condicionado pelo conteúdo de Cromo na sucata de Titânio.
[0032] Adição de Molibdênio na faixa de 0,05% a 2,0% garante sua plena solubilidade na fase-α, que ajuda a obter um comportamento de resistência requerido, sem deteriorar suas propriedades plásticas. Quando o Molibdênio excede 2,0%, a densidade específica da liga aumenta, porque o Molibdênio é um metal pesado, que provoca a diminuição das propriedades plásticas da liga.
[0033] A liga reivindicada contém adição de Níquel. Um conteúdo aumentado de Alumínio e Vanádio promove a resistência à corrosão e erosão da liga no ambiente sob um fluxo direcionado de gás corrosivo. A presença de Níquel também adiciona resistência à corrosão. Com o Níquel em um nível abaixo de 0,01%, seu efeito não é suficiente, enquanto o limite superior de 0,5% é determinado pelo conteúdo de Níquel em uma esponja de Titânio de baixa qualidade.
[0034] Diferentemente do protótipo, a esta liga é adicionada um silício estabilizador-β, que nos limites reivindicados é totalmente solúvel na fase-α, e garante o endurecimento de solução sólida α e a geração de uma pequena quantidade (até 5%) de fase-β na liga. Ademais, adição de silício aumenta a resistência ao calor da liga.
[0035] A diferença principal do protótipo diz respeito ao fato de a presente invenção permitir obter características de resistência controladas para ligas de Titânio secundário com alta precisão, a partir de uma seleção flexível de quantidades de elementos de liga, com base em sua presença em sucatas de diferentes graus de ligas de Titânio.
[0036] A presente invenção se baseia na possibilidade de dividir efeitos do endurecimento da liga de Titânio ligada com estabilizadores-α e reforçadores neutros, e pela adição de estabilizadores-β. Esta possibilidade é justificada pelas seguintes considerações. Elementos equivalentes ao Alumínio endurecem as ligas de Titânio, principalmente por soluções reforçadoras, enquanto estabilizadores-β endurecem ligas de Titânio pelo aumento da quantidade da fase-β mais forte.
[0037] O cálculo do equivalente de resistência de Alumínio se baseou na eficiência de 10% em peso de estabilizador-α e reforçadores neutros. Adições de Silício também são levadas em conta, porque, embora tenham pouco impacto na quantidade de fase-β, deixam a liga mais forte. O aumento de resistência à ruptura de ligas de Titânio com a adição de 1% em peso de elementos de liga resultou equivalente a Al-60, Zr-20, Si- 200, O-1250, N-2000 e C-700 MPa/%.
[0038] Por conseguinte, o equivalente de resistência de Molibdênio foi calculado com base na eficiência de adição de 1% em peso de estabilizadores-β dissolvidos. O aumento de resistência de ruptura de ligas de Titânio provido pela adição de 1% em peso de elementos de liga resultou equivalente a Mo-50, V-30, Cr-65, Fe-70, e Ni-50 MPa/%.
[0039] Agora, equivalentes de resistência de Alumínio e Molibdênio podem ser apresentados com fórmulas (1) e (2), respectivamente.
[0040] A seleção de composição química de materiais de carga para fusão de lingote se baseia no valor requerido de resistência de ruptura da liga, definida pela razão (3). Depois de os equivalentes de resistência de Molibdênio e Alumínio calculados com base na composição química da sucata, seguido pelo cálculo da fórmula de mistura dentro de Alesqtuiv e Moesqt uiv e fusão de lingote.
[0041] A mudança da razão de equivalente de resistência de Alumínio e Molibdênio facilita o controle flexível de comportamento de processamento e resistência de liga dentro dos limites de sua composição química.
Exercício da Invenção EXEMPLO 1 Itens para aplicação estrutural
[0042] (placa, forjamento, forjamento por matriz)
[0043] 16 ligas de diferentes composições químicas foram duplamente fundidas em forno de arco a vácuo para teste de liga reivindicada (lingotes de 23 kgs). Propriedades previsíveis na condição recozida, que correspondem a propriedades de resistência das ligas estruturais mais comumente usadas do grupo Ti-6Al-4V foram usadas como base para cálculo de fórmula da mistura. Lingotes foram duplamente fundidos com introdução de sucatas disponíveis correspondendo a 50%. Os lingotes sofreram forjamento e laminação para produzir barras de 30 a 32 mm de diâmetro.
[0044] A Tabela As mostra as composições químicas das ligas: Tabela 1
Figure img0018
[0045] Barras foram testadas com respeito a resistência a tração depois de recozimento (730oC, imersão por 1 hora, resfriamento ao ar). Equivalente de resistência, resistência à ruptura real e calculada, e alongamento sendo dados na Tabela 2. Tabela 2
Figure img0019
Req** Requisitos VT6ch (BT6q) (bars)
[0046] Como mostrado na Tabela 2, a liga economicamente vantajosa desenvolvida se caracteriza pelo nível de resistência, alongamento, e redução de área similar à liga Ti-6Al-4V
EXEMPLO 2 - Material Laminado
[0047] Diversas composições químicas baseadas em sucata disponível foram selecionadas para valores de resistência de projeto. Ligas foram duplamente fundidas, primeiro por fundição em forno oscilante de arco a vácuo, e segundo em forno a arco a vácuo, e então submetidas à laminação, obtendo uma chapa de 2 mm de espessura com o subsequente recozimento.
[0048] Os valores de resistência requeridos para três diferentes aplicações foram 860, 880, 980 MPa, respectivamente.
[0049] A carga foi formulada para o esquema acima - os resultados são dados na Tabela 3: Tabela 3
Figure img0020
[0050] Composição de liga é dada na Tabela 4 Tabela 4
Figure img0021
[0051] As propriedades mecânicas das amostras obtidas são dadas na Tabela 5 Tabela 5
Figure img0022
EXEMPLO 3
[0052] Blindagem estrutural (placas de blindagem articuladas para proteção de veículos)
[0053] Lingotes de 23 Kg cada foram fundidos para produzir material laminado para aplicação em blindagens. Lingotes foram produzidos em dupla fundição. Os seguintes materiais foram usados como material de carga para fundir lingotes: Esponja de Titânio grau TG-TV, sucata de liga VST5553, sucata de liga Ti-10V-2Fe-3Al. A razão de materiais de carga usada para fundir lingotes é dada na Tabela 6. Tabela 6
Figure img0023
Composição química é dada na Tabela 7 Tabela 7
Figure img0024
Propriedades mecânicas das Ligas 1 e 2 testadas em uma chapa de 6 mm de espessura são dadas na Tabela 8 Tabela 8
Figure img0025
[0054] Como pode ser visto, a partir dos exemplos, a fabricação de ligas secundárias mais baratas da presente invenção ajuda a resolver o problema de introduzir uma ampla gama de sucatas recicláveis de liga de Titânio na produção de produtos acabados, se caracteriza pelo comportamento de processamento de estrutural de projeto. Assim, a invenção propicia uma alta eficiência para uso industrial.

Claims (5)

1. Liga de titânio secundário, contendo elementos de liga que atuam como estabilizadores α, estabilizadores β, reforçadores neutros e titânio, caracterizada pelo fato de a quantidade total de elementos de liga que reforçam a liga de titânio por fortalecimento da solução sólida ser definida pela seguinte correlação: [Al]stequiv =Al + Zr/3+ 20 O + 33 N+ 12C + 3,3 Si, % em peso, o conteúdo de cada elemento particular estando nos seguintes intervalos: Alumínio 0,01-6,5 Nitrogênio <0,07 Oxigênio <0,3 Carbono <0,1 Zircônio 0,01-0,5 Silício 0,01-0,25 em que, resistência equivalente de alumínio, [Al] stequiv, possui valor em liga de 6,1 a 12,1; o número total de elementos que aumentam o volume de fase β mais forte ser definido pela seguinte correlação [Mo] stequiv = Mo + V/1,7 + Ni + Cr/0,8 + Fe/0,7, % em peso, e o conteúdo de cada elemento particular está nos seguintes interlavos: Vanádio 0,01-5,5 Molibdênio 0,05-2,0 Cromo 0,01-1,5 Ferro 0,1-2,5 Níquel 0,01-0,5 sendo que, resistência equivalente de Molibdênio possui valor em liga de 2,1 a 11.
2. Liga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de os produtos de materiais laminados apresentarem [Mo]stequiv=2,1-5,6 e [Al]stequiv=6,1-8,83.
3. Liga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de os produtos de aplicação estrutural apresentarem [Mo]stequiv=2,1-5,6 e [Al]stequiv=8,84-12,1.
4. Liga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de para blindagem estrutural apresentarem [Mo]stequiv=5,7-11 e [Al]stequiv=6,1-12,1.
5. Liga, de acordo com qualquer uam das reivindicações anteriores 1 a 4, caracterizada pelo fato de o conteúdo de elementos de liga na liga ser governado por [Al]stequiv e [Mo]stequiv, calculados com base no valor de projeto da resistência à tração final da liga de acordo com a correlação:
Figure img0026
onde: σdв é o valor projetado de resistência final da liga.
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