CN102441732A - 一种扩散焊接的方法及焊件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械工程中的压焊技术领域，尤其涉及一种扩散焊接的方法及焊件，解决现有技术中扩散焊接需要的温度较高的问题，为航天火箭、导弹发动机膜盒和火箭推力室再生冷却身部研制提供了新的解决方案，并可提高发动机膜盒及推力室再生冷却身部的疲劳寿命、强度和可靠性，该焊件的表面上镀有镀镍层，镀镍层含有镍和磷，在本发明提供的一种扩散焊接的方法中，包括：将两个前述的焊件表面的镀镍层紧密贴合，将贴合后的两个焊件进行扩散焊接，该方案由于加入了含有镍和磷的镀镍层，因此降低了扩散焊接需要的温度。

Description

一种扩散焊接的方法及焊件

技术领域

本发明涉及机械工程中的压焊技术领域，尤其涉及一种扩散焊接的方法及焊件。

背景技术

扩散焊接是一种先进的焊接方法，是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表面粗糙度。焊接温度越高，原子扩散越快，根据材料类型和对接头质量的要求，扩散焊可在真空或保护气体下进行，其中以真空扩散焊应用最广。扩散焊接压力较小，工件不产生宏观塑性变形，适合焊后不再加工的精密零件。扩散焊已广泛用于反应堆燃料元件、蜂窝结构板、静电加速管、各种叶片、叶轮、冲模、过滤管和电子元件等的制造。

现有扩散焊接的焊接过程，焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍，扩散焊接需要的温度较高。

发明内容

为了解决现有扩散焊接需要的温度较高的问题，本发明提供了一种扩散焊接的方法及焊件。

本发明实施例提供的一种用于扩散焊接的焊件，焊件的表面上镀有镀镍层，镀镍层含有镍和磷。

本发明实施例还提供了一种扩散焊接的方法，包括：

将两个前述的焊件表面的镀镍层紧密贴合；

将贴合后的两个焊件进行扩散焊接。

由于本发明实施例提供的方案，加入了含有镍和磷的镀镍层，因此降低了扩散焊接需要的温度。利用本发明可研制出航天火箭、导弹发动机膜盒和火箭推力室再生冷却身部。目前航天火箭、导弹发动机膜盒均采用氩弧焊接、电子束焊接、激光焊接等熔化焊接进行制造，存在着焊缝区延伸率低、塑性差、疲劳寿命低、耐压强度低等缺点，给火箭、导弹发动机的正常运行带来隐患，利用本发明进行航天火箭、导弹发动机膜盒的研制，提高了膜盒焊缝区的延伸率和塑性指标，提高了膜盒的疲劳寿命、强度和可靠性。目前火箭推力室再生冷却身部多采用钎焊或电铸镍的方式制造，其中钎焊是再生冷却身部的传统制造方法，具有连接强度低、通道流阻大等缺点，电铸镍的制造方法制造的再生冷却身部由于外壁为铸造组织，存在着强度低、塑性差等缺点，且生产周期一般为6至10个月，效率低下，严重影响火箭的生产效率，利用本发明制造的火箭推力室再生冷却身部不仅效率大大提高(通常为1至2天)，而且大大提高了通道流阻、连接强度等性能指标。

本发明为航天火箭、导弹发动机膜盒和火箭推力室再生冷却身部的制造提供了一种新的选择。

附图说明

图1是本发明实施例提供的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的多个薄板坯料和上、下法兰坯料表面化学镀镍处理后结构示意图；

图3是本发明实施例提供的多个薄板坯料和上、下法兰坯料表面涂保护胶后结构示意图；

图4是本发明实施例提供的不需要进行扩散焊接部分的保护胶被剥除后的多个薄板坯料和上、下法兰坯料结构示意图；

图5是本发明实施例提供的涂刷止焊剂后多个薄板坯料和上、下法兰坯料结构示意图；

图6是本发明实施例提供的剥除需要进行扩散焊接部分的保护胶，形成焊接区后的多个薄板坯料和上、下法兰坯料结构示意图；

图7是本发明实施例提供的准备扩散焊接前的多个薄板坯料和上、下法兰坯料组装结构示意图；

图8是本发明实施例提供的最终制造完成的扩散焊接钢类膜盒结构示意图。

具体实施方式

为了解决目前现有扩散焊接的焊接过程较长的问题，本发明提供一种扩散焊接的方法及焊件，由于焊件的表面上镀有镀镍层，镀镍层含有镍和磷，进一步镀镍层含有89-97％(重量)的镍和3-11％(重量)的磷，镀镍层的厚度为0.003-0.05毫米，将两个前述的焊件表面的镀镍层紧密贴合，将贴合后的两个焊件进行扩散焊接。这样就可实现较低温度的扩散焊接。

实施例一：本实施例是为了采用钢类法兰和钢类环形薄板坯料制造钢类膜盒，该膜盒外形和内形都是圆形，内形尺寸为φ50mm，外型尺寸为φ100mm，内焊缝焊接区13最终的宽度是1mm，外焊缝焊接区12最终的宽度是1mm。上、下法兰材料为高温合金GH4169，厚度为10mm，圆环形薄板材料为高温合金GH4169，厚度为0.2mm，环形薄板坯料数量为30片。

本实施例方法流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤101：用车床车加工出30个内径为φ40mm，外径为φ110mm，厚度为0.2mm的圆环形薄板坯料3。

步骤102：用车床床车加工出内径为φ40mm，外径为φ110mm，厚度为10mm的圆环形上法兰坯料2和圆环形下法兰坯料9各1个，并对上法兰坯料2和下法兰坯料9的两个端面进行平面磨加工，保证焊接面光滑平整。

步骤103：对30个薄板坯料3和上法兰坯料2、下法兰坯料9进行除油处理，然后用丙酮清洗焊接表面、最后用去离子水超声波清洗30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9。

步骤104：对30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9全部表面进行化学镀镍处理，镀镍层6厚度为0.01mm，成分为镍89～97％，磷3～11％。表面镀有镀镍层的薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，如图2所示。

步骤105：对化学镀镍后的30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9表面镀镍层上涂保护胶11，厚度0.15～0.3mm，并风干。涂保护胶11后的薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，如图3所示。

步骤106：采用刻刀在30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，需要进行扩散焊接的部分与不需要进行扩散焊接的部分的分界线处进行刻形，使得保护胶11在需要进行扩散焊接的部分和不需要进行扩散焊接的部分的分界线处被分开，保证内焊缝的刻形尺寸为φ52mm，外焊缝的刻形尺寸为φ98mm。

步骤107：剥除30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，不需要进行扩散焊接的部分的保护胶11。不需要进行扩散焊接的部分保护胶11被剥除后的圆环形薄板坯料3、圆环形上法兰坯料2和下法兰坯料9，如图4所示。

步骤108：用毛刷在30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，不需要扩散焊接的部位涂刷止焊剂4，厚度为0.01～0.02mm，并风干。涂刷止焊剂4的薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，如图5所示。

步骤109：用刻刀划破并剥除30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，需要进行扩散焊接的部分的保护胶11形成焊接区，形成焊接区后的薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，如图6所示。

本步骤剥除保护胶11时要保证去除干净，这是因为在步骤108中止焊剂4有可能被涂刷在需要扩散焊接部位的保护胶11上，保证30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9只在非焊接区处有止焊剂4存在。

薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9的内焊缝的刻形尺寸都为φ52mm，外焊缝的刻形尺寸都为φ98mm，这是为了保证法兰和薄板相互之间以及两个相邻薄板相互之间的贴合面上的焊接区位置能够相对应，薄板坯料3的反面的焊接区为靠近且围绕圆环形薄板坯料3内圆边缘形成的内焊缝焊接区13(内圆为φ40mm，外圆为φ52mm的圆环形区域)，薄板坯料3的正面的焊接区为靠近薄板坯料3外圆边缘且围绕圆环形薄板坯料3内圆边缘形成的外焊缝焊接区12(内圆为φ98mm，外圆为φ110mm的圆环形区域)，这只是本实施例的一个优选方案，当然只要满足沿垂直钢类法兰表面方向，内焊缝焊接区13的投影和外焊缝焊接12区投影互不重叠且互不相邻的方案均可，本实施例中的正面和反面只是为了表述方便，正面和反面互换也可以。

这只是本实施例的一个优选的方案，为了保证将薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9，表面焊接区紧密贴合进行扩散焊接后，只有需要进行扩散焊接的部分被焊接，薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9相互之间的贴合面中的至少一个贴合面上需要包括非焊接区，非焊接区为不需要扩散焊接的部位涂刷止焊剂形成的区域。

步骤110：将30个薄板坯料按一正(正面向上)、一反、再一正、再一反的顺序循环放置于上法兰坯料2和下法兰坯料9之间，并保证圆环形下法兰坯料9焊接面向上，圆环形上法兰坯料2焊接面向下。

步骤111：在30个薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9的内孔安装外径为φ40mm，材料为GH4169的定位芯轴8，在30个GH4169薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9的外侧安装内孔为φ110mm，材料为GH4169的外套7。

步骤112：将组装好的30个薄板坯料3、上法兰坯料2、下法兰坯料9、芯轴8和外套7装入真空扩散压力机的下平台上10，上方放置上压头1，并保证组装好的30个圆环形薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9的轴心线与真空扩散压力机的受力中心一致，如图7所示。此时上法兰坯料2、30个薄板坯料3和下法兰坯料9表面的焊接区依次紧密贴合。

步骤113：关闭真空扩散压力机的炉门，开始抽真空，真空度达到9×10^-2Pa后开始加热。

步骤114：350℃以下，每分钟升温25℃，350℃保温60分钟，350～600℃，每分钟升温20℃，600～1020℃，每分钟升温10℃，温度在1020℃时加压20Mpa，保温保压240分钟。当然这只是本实施例的一个优选方案，加热过程应满足下面的条件，350℃以下，每分钟升温不大于35℃，350℃保温20～60分钟，350～600℃，每分钟升温不大于30℃，600～1100℃，每分钟升温速度不大于20℃，温度在890～1100℃，加压0.5～30Mpa，保温保压30～400分钟。

步骤115：保温保压结束后，关加压，降温，温度低于200℃后，打开真空扩散压力机炉门，取出GH4169膜盒扩散焊接后半成品。

步骤116：利用车床车加工GH4169膜盒扩散焊接后半成品的内圆至φ50mm和外圆至φ100mm，使GH4169膜盒半成品内轮廓规则、光滑。本实施例中采用薄板坯料3、上法兰坯料2和下法兰坯料9只是为了考虑工艺实施的需要，当然也可以直接采用与成品尺寸相同的圆环形薄板、圆环形上法兰和圆环形下法兰直接完成前述步骤，则本步骤可以省略。

步骤117：利用车床三爪卡盘固定膜盒半成品的上法兰坯料2和下法兰坯料9，施加拉力，使膜盒沿轴线受拉伸长，形成GH4169膜盒，如图8所示。

步骤118：采用超声波清洗机清洗或高压水流清洗去除膜盒内外型腔在非焊接区的的止焊剂并烘干，完成GH4169膜盒最终产品的制造。

本实施例的方案通过在扩散焊接面化学镀镍的成分中增加了3～11％的磷元素，减低了镍层的熔点，有利于降低钢类扩散焊接的温度。随着保温的进行，磷元素不断析出，熔融镍层熔点不断提高，形成等温凝固，缩短了扩散焊接的时间。由于镍与钢类材料的溶解度高，增大了扩散焊接面扩散焊接深度，并在扩散焊缝区形成了含镍成分的合金，提高了扩散焊接连接强度。

本发明实施例的方案通过在多个薄板坯料和上、下法兰坯料表面涂保护胶后刻形，再在焊接区与非焊接区分界线处刻形，然后剥除非焊接区的保护胶，最后在非焊接区表面涂刷止焊剂的方式，实现了钢类膜盒扩散焊接过程中焊接区与非焊接区清晰、规则界限划分。这样利用该方法可实现多种钢类材料的膜盒制造，由于扩散焊接钢类膜盒的焊接为扩散焊接，焊接区域的显微组织仍是坯料状态的变形组织，而不是氩弧焊接、激光焊接和电子束焊接此类熔化焊接的铸造组织，产品无热影响区，钢类膜盒的焊接强度大大提高，疲劳寿命提高至10万次～100万次以上。

实施例二：本实施例是采用钢类法兰和钢类环形薄板坯料制造钢类膜盒，该膜盒外形和内形都是方形，内形尺寸为50mm×50mm，外型尺寸为100mm×100mm，内外形圆角为R10，内、外焊缝焊接区最终的宽度都是2mm，上、下法兰材料为结构钢30Cr3MoA，厚度为20mm，薄板材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，厚度为0.1mm，薄板数量为100片的膜盒的制造。

步骤201：用数控加工中心加工出100个内形尺寸为40mm×40mm，外形尺寸为110mm×110mm，内、外形圆角为R10，材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，厚度为0.1mm方环形薄板坯料。

步骤202：用数控加工中心加工出内形尺寸为40mm×40mm，外形尺寸为110mm×110mm，内、外圆角为R10，材料为结构钢30Cr3MoA，厚度为20mm的方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料各1个，并对方环形上、下法兰坯料的焊接面进行平面磨加工，保证焊接面光滑平整。

步骤203：对100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料进行除油处理，然后用丙酮清洗焊接表面、最后用去离子水超声波清洗100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料。

步骤204：对100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料表面进行化学镀镍处理，厚度为0.005～0.01mm，成分为镍89～97％，磷3～11％。

步骤205：对化学镀镍后的100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和个结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料表面涂保护胶11，厚度0.15～0.3mm，并风干。

步骤206：采用激光在100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料，需要进行扩散焊接的部分与不需要进行扩散焊接的部分分界线处进行激光刻形，使100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料表面的保护胶11在需要进行扩散焊接的部分与不需要进行扩散焊接的部分分界线处被分开，保证内焊缝的刻形尺寸为54mm×54mm，外焊缝的刻形尺寸为96mm×96mm，内焊缝刻形圆角为R12，外焊缝刻形圆角为R8。

步骤207：用刻刀划破并剥除100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料不需要进行扩散焊接的部分的保护胶11。

步骤208：用毛刷在100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料的不需要进行扩散焊接的部分涂刷止焊剂4形成非焊接区，厚度为0.005～0.01mm，并风干。

步骤209：用刻刀划破并剥除100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料需要进行扩散焊接的部分的保护胶11形成焊接区，保证去除干净，保证100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料和两个结构钢30Cr3MoA方环形法兰坯料只在非焊接区处有止焊剂存在。

步骤210：将100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料按一正、一反、再一正、再一反的顺序，循环放置于结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料之间，并保方环形下法兰坯料焊接面向上，方环形上法兰坯料焊接面向下。

步骤211：在100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料的内孔坯料安装尺寸为40mm×40mm圆角为R10的定位芯轴，在100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料的外侧安装内孔为110mm×110mm圆角为R10的外套，材料为不锈钢1Cr18Ni9T。

步骤212：将组装好的100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料、方环形下法兰坯料、芯轴和外套装入真空扩散压力机的下平台上，上方放置上压头，并保证组装好的100个不锈钢1Cr18Ni9Ti方环形薄板坯料、结构钢30Cr3MoA方环形上法兰坯料和方环形下法兰坯料的轴心线与真空扩散压力机的受力中心一致。

步骤213：关闭真空扩散压力机的炉门，开始抽真空，真空度达到9×10-2Pa后开始加热。

步骤214：350℃以下，每分钟升温30℃，350℃保温30分钟，350～600℃，每分钟升温25℃，600～980℃，每分钟升温15℃，温度在980℃，加压10Mpa，保温保压40分钟。

步骤215：保温保压结束后，关加压，降温，温度低于200℃后，打开真空扩散压力机炉门，取出不锈钢1Cr18Ni9Ti与结构钢30Cr3MoA焊接的方形膜盒扩散焊接后半成品。

步骤216：利用数控加工中心加工不锈钢1Cr18Ni9Ti与结构钢30Cr3MoA膜盒扩散焊接后半成品的内形尺寸至50mm×50mm，外形面尺寸至100mm×100mm，内、外形圆角为R10，使不锈钢1Cr18Ni9Ti与结构钢30Cr3MoA膜盒半成品内外轮廓规则、光滑。

步骤217：利用自制工装夹住膜盒半成品的两个法兰，施加拉力，使不锈钢1Cr18Ni9Ti与结构钢30Cr3MoA扩散焊接膜盒沿轴线受拉伸长，形成方形膜盒。

步骤218：采用超声波清洗机清洗或高压水流清洗去除方形膜盒内外型腔在非焊接区的的止焊剂并烘干，完成1Cr18Ni9Ti与结构钢30Cr3MoA扩散焊接膜盒最终产品的制造。

通过上述的两个实施例可知，以上的多个薄板坯料、上法兰坯料、下法兰坯料可为圆形、方形、多边形，本发明实施例的方案适用于各种环形薄板，环形薄板内形和外形可以相同也可以不同，本发明实施例的方案适用于法兰的形状和薄板类似。

以上的多个薄板坯料、上法兰坯料、下法兰坯料在内形和外形均留有加工余量，在扩散焊接后采用机床加工去除。

以上的多个薄板坯料厚度为0.05～3mm。

以上的上法兰坯料、下法兰坯料厚度为1～50mm。

以上的保护胶11为钛合金化铣行业通用保护胶、电镀保护胶。

以上的止焊利4为胶体状BN、Y2O3或石墨。

以上的刻刀可为雕刻刀或壁纸刀。

以上膜盒拉伸用的工装可为车床的三爪卡盘或自制夹具。

以上的钢类材料可为结构钢、不锈钢、高温合金钢的同种材料之间以及异种材料之间的扩散焊接。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于扩散焊接的焊件，其特征在于，焊件的表面上镀有镀镍层，镀镍层含有镍和磷。

2.如权利要求1所述的焊件，其特征在于，镀镍层按重量计含有89-97％的镍和3-11％的磷。

3.如权利要求1所述的焊件，其特征在于，镀镍层的厚度为0.003-0.05毫米。

4.如权利要求1所述的焊件，其特征在于，焊件为钢类焊件。

5.一种扩散焊接的方法，其特征在于，包括：

将两个如权利要求1所述的焊件表面的镀镍层贴合；

将贴合后的两个焊件进行扩散焊接。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将焊件表面的镀镍层紧密贴合步骤前还包括：

在作为焊件的钢类法兰表面和作为焊件的钢类环形薄板表面上进行化学镀镍处理得到镀镍层，从而在钢类法兰表面和钢类环形薄板表面，需要进行扩散焊接的部分形成焊接区；

将焊件表面的镀镍层紧密贴合的步骤具体为：

将钢类环形薄板置于两个钢类法兰之间，使得钢类法兰表面焊接区和钢类环形薄板表面焊接区紧密贴合，钢类法兰和钢类环形薄板相互之间的贴合面上的焊接区位置相对应，钢类环形薄板第一表面的焊接区为靠近且围绕钢类环形薄板内形边缘形成的内焊缝焊接区，钢类环形薄板第二表面的焊接区为靠近钢类环形薄板外形边缘且围绕钢类环形薄板外形边缘形成的外焊缝焊接区，沿垂直钢类法兰表面方向，内焊缝焊接区的投影和外焊缝焊接区的投影互不重叠且互不相邻，钢类法兰和钢类环形薄板相互之间的贴合面中的至少一个贴合面上包括非焊接区，非焊接区为不需要扩散焊接的部位涂刷止焊剂形成的区域。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将钢类环形薄板置于两个钢类法兰之间步骤具体为：

将至少两个钢类环形薄板置于两个钢类法兰之间，两个相邻钢类环形薄板相互之间的贴合面上的焊接区位置相对应。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在作为焊件的钢类法兰表面和作为焊件的钢类环形薄板表面上进行化学镀镍处理得到镀镍层，从而在需要进行扩散焊接的部分形成焊接区步骤具体为：

在钢类法兰表面和钢类环形薄板表面上进行化学镀镍处理得到镀镍层；

在钢类法兰表面的镀镍层上和钢类环形薄板表面的镀镍层上涂保护胶；

在需要扩散焊接的部位和不需要扩散焊接的部位之间的分界线处进行刻形划破保护胶；

剥除不需要扩散焊接的部位的保护胶；

在保护胶被剥除的部分涂刷止焊剂从而形成非焊接区；

剥除剩余的保护胶，从而形成焊接区。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将贴合后的两个焊件进行扩散焊接步骤具体为：

将贴合后的两个焊件装入真空扩散压力机，关闭真空扩散压力机的炉门，开始抽真空，真空度达到9×10^-2Pa后开始加热。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，真空度达到9×10^-2Pa后开始加热步骤具体为：

真空度达到9×10^-2Pa后，在350℃以下，每分钟升温不大于35℃，350℃保温20～60分钟，350～600℃，每分钟升温不大于30℃，600～1100℃，每分钟升温速度不大于20℃，温度在890～1100℃，加压0.5～30Mpa，保温保压30～400分钟。

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