CN110462075B - 改善了冲压加工后的尺寸精度的铜合金条 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种具有优异的弯曲加工性的同时,冲压加工后的尺寸精度高的科森合金。一种铜合金条,其特征在于,所述铜合金条是轧制材料,所述轧制材料含有0~5.0质量%的Ni或0~2.5质量%的Co、0.2~1.5质量%的Si,Ni+Co的合计量为0.2~5质量%,剩余部分由铜和不可避免的杂质构成,进行利用正四棱锥的压头将1kg载荷的试验力施加于母材表面并保持10秒钟的维氏硬度试验,在将解除所述试验力后残留于所述母材表面的凹坑的投影面积设为A0,将连结压头的顶点而得到的面积设为A的情况下,A0/A≤1.000,在分别将来自表面中的(200)面的X射线衍射强度设为I(200),将来自纯铜粉末标准试样的(200)面的X射线衍射强度设为I0(200)时,0.1≤I(200)/I0(200)<1.0。

Description

改善了冲压加工后的尺寸精度的铜合金条
技术领域
本发明涉及一种科森合金(corson alloy),其适合作为连接器、端子、继电器、开关等的导电性弹簧材料或晶体管、集成电路(IC)等半导体设备的引线框架材料,且具备优异的强度、弯曲加工性、耐应力松弛特性、导电性等。特别是冲压加工后的尺寸精度提高。
背景技术
近年来,电气/电子部件的小型化得到推进,对这些部件中使用的铜合金要求良好的强度、导电率以及弯曲加工性。为了满足该要求,代替以往的磷青铜、黄铜这样的固溶强化型铜合金,具有高强度和高导电率的科森合金等析出强化型铜合金的需求正在增加。科森合金是使Ni-Si、Co-Si、Ni-Co-Si等金属间化合物析出在Cu基质中的合金,兼具高强度、高导电率、良好的弯曲加工性。一般而言,强度和弯曲加工性是相反的性质,即使在科森合金中也期望维持高强度并且改善弯曲加工性。另外,也期望改善科森合金的冲压冲裁性。
近年来,作为改善科森合金的弯曲加工性的技术,提倡了使{001}<100>取向(Cube取向)发达的对策。例如,在专利文献1(日本特开2006-283059号)中,通过依次进行(1)铸造、(2)热轧、(3)冷轧(加工率95%以上)、(4)固溶处理、(5)冷轧(加工率20%以下)、(6)时效处理、(7)冷轧(加工率1~20%)、(8)短时间退火的工序,将Cube取向的面积率控制为50%以上,改善了弯曲加工性。
在专利文献2(日本特开2010-275622号)中,通过依次进行(1)铸造、(2)热轧(一边将温度从950℃降低至400℃一边进行)、(3)冷轧(轧制率50%以上)、(4)中间退火(450~600℃,将导电率调整为1.5倍以上,将硬度调整为0.8倍以下)、(5)冷轧(轧制率70%以上)、(6)固溶处理、(7)冷轧(轧制率0~50%)、(8)时效处理,将(200)(与{001}同义)的X射线衍射强度控制为铜粉标准试样的X射线衍射强度以上,改善了弯曲加工性。
在专利文献3(日本特开2011-17072号)中,在将Cube取向的面积率控制为5~60%的同时,将Brass取向和Copper取向的面积率都控制为20%以下,改善了弯曲加工性。作为实现上述目的的制造方法,在依次进行(1)铸造、(2)热轧、(3)冷轧(加工率85~99%)、(4)热处理(300~700℃,5分钟~20小时)、(5)冷轧(加工度5~35%)、(6)固溶处理(升温速度2~50℃/秒)、(7)时效处理、(8)冷轧(加工率2~30%)、(9)调质退火的工序的情况下,得到了最良好的弯曲性。
在专利文献4(日本专利第4857395号)中,在板厚方向的中央部,在将Cube取向的面积率控制为10~80%的同时,将Brass取向和Copper取向的面积率都控制为20%以下,改善了缺口(notch)弯曲性。作为能进行缺口弯曲的制造方法,提倡了包括(1)铸造、(2)热轧、(3)冷轧(加工度30~99%)、(4)预退火(软化度0.25~0.75,导电率20~45%IACS)、(5)冷轧(7~50%)、(6)固溶处理、(7)时效的工序。
在专利文献5(WO2011/068121号)中,通过将材料的表层和整个深度位置中的1/4位置处的Cube取向面积率分别设为W0和W4,将W0/W4控制为0.8~1.5,将W0控制为5~48%,进而将平均晶粒直径调整为12~100μm,改善了180度粘附弯曲性和耐应力松弛性。作为实现上述目的的制造方法,提倡了包括(1)铸造、(2)热轧(将一个道次的加工率设为30%以下,将各道次间的保持时间设为20~100秒)、(3)冷轧(加工率90~99%)、(4)热处理(300~700℃,10秒~5小时)、(5)冷轧(加工率5~50%)、(6)固溶处理(800~1000℃)、(7)时效处理、(8)冷轧、(9)调质退火的工序。
在专利文献6(日本特开2012-177152号)中,铜合金的晶粒的平均晶粒直径为5~30μm,并且具有该平均晶粒直径的两倍的晶粒直径的晶粒所占的面积为3%以上,并且该晶粒中的Cube取向晶粒所占的面积率为50%以上,由此改善了弯曲加工性和耐应力松弛特性。
在专利文献7(日本特开2013-227642号)中,表面的I(200)/I0(200)≥1.0,在相对于板厚为45~55%的深度的截面中,设为I(220)/I0(220)+I(311)/I0(311)≥1.0,由此改善了弯曲性并且控制了轧制直角方向的杨氏模量。
在专利文献8(日本特开2008-95185号)中,通过控制析出物(Ni与Si的金属间化合物)的分布,减少了冲压冲裁后的毛刺。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-283059号公报
专利文献2:日本特开2010-275622号公报
专利文献3:日本特开2011-17072号公报
专利文献4:日本专利第4857395号公报
专利文献5:WO2011/068121号
专利文献6:日本特开2012-177152号公报
专利文献7:日本特开2013-227642号公报
专利文献8:日本特开2008-95185号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是,近年来,受到连接器的小型化的影响,正在推进通过连续冲压来制造的多插针型连接器的间距(插针与插针的间隔)的窄间距化。针对这些小型连接器,在基于现有技术的使Cube取向发达而改善了弯曲性、杨氏模量、应力松弛特性等的科森合金中,冲压后的间距大幅变动,冲压冲裁或随后的弯曲加工后的尺寸精度差,因尺寸不良导致制品的成品率低。另一方面,即使在如专利文献8所示减少了冲压冲裁时的毛刺的材料中,冲压加工后的尺寸精度也没有改善。
因此,本发明的问题在于,提供一种具有优异的弯曲加工性的同时,冲压加工后的尺寸精度高的科森合金。以下,将冲压后的尺寸精度的好坏作为冲压性。
用于解决问题的方案
本发明人发现了,通过对在科森合金的表面打出压痕时的、压痕的投影面积和板厚表面的晶体取向进行控制,能得到弯曲加工性良好且冲压性良好的科森合金,另外,明确了制造方法。
将以上的见解作为背景,完成了以下的发明。
(1)一种铜合金条,其特征在于,所述铜合金条是轧制材料,所述轧制材料含有0~5.0质量%的Ni或0~2.5质量%的Co、0.2~1.5质量%的Si,Ni+Co的合计量为0.2~5质量%,剩余部分由铜和不可避免的杂质构成,进行利用正四棱锥的压头将1kg载荷的试验力施加于母材表面并保持10秒钟的维氏硬度试验,在将解除所述试验力后残留于所述母材表面的凹坑的投影面积设为A0,将连结压头的顶点而得到的面积设为A的情况下,A0/A≤1.000,在分别将来自表面中的(200)面的X射线衍射强度设为I(200),将来自纯铜粉末标准试样的(200)面的X射线衍射强度设为I0(200)时,0.1≤I(200)/I0(200)<1.0。
(2)根据(1)所述的铜合金条,其中,通过切断法求出的轧制表面的平均晶粒直径为2~20μm。
(3)根据(1)或(2)所述的铜合金条,其中,以总量计,含有0.005~2.0质量%的Sn、Zn、Mg、Cr、Mn中的一种以上。
发明效果
根据本发明,能提供一种具有优异的弯曲加工性,并且具有良好的冲压性的科森合金。
附图说明
图1是概略性地表示实施例的冲压性的评价中形成于冲压断面的断裂面和剪切面的示意图。
图2是对使试样面法线N与晶格面法线N’所成的角度ψ变化来调查其衍射角度(2θ)的变化的情况下的残余应力σ的计算方法进行说明的概略图。
图3是对本发明中的维氏硬度试验后的面积A、A0的计算方法进行说明的图。
图4是对冲压性的判断例进行说明的图,图4(a)表示发明例1,图4(b)表示发明例12,图4(c)表示比较例1。
具体实施方式
以下,对本发明的实施方式进行详细说明。首先,对本发明中的最大特征即维氏硬度试验后的残留于母材表面的凹坑的投影面积(A0)和连结压头的顶点而得到的面积(A)进行说明。
作为求出A0和A的面积的方法,首先,在维氏硬度试验中,以目视的方式定向使得正四棱锥压头的对角线的一方与轧制方向平行,将9.8N(1000g)的试验力施加于母材表面并保持10秒钟之后,解除试验力。接着,计算出通过维氏硬度试验产生的压痕的投影面积A0和连结压头的顶点而得到的面积A(参照图3)。在本发明中,发现了:在A0/A≤1.000时,冲压性变得良好。对下限没有特别设定,但由于压痕与压头的形状大致一致,因此通常大多为0.95以上。
上述评价在材料表面以外难以进行验证,例如即使在轧制截面进行了同样的试验,也无法进行有效的验证。另外,在硬度试验时的载荷低的情况下,难以进行发明的验证。通常,在材料表面的维氏硬度试验中,根据材料的硬度和板厚来变更试验载荷,但若载荷低于4.9N(500g),则难以进行有效的验证。在利用薄板进行评价的情况下,可以将材料重叠成总厚度为0.1mm以上来进行试验。
本发明并不受以下的说明限定,材料表面的A0/A≤1.000的关系是表示轧制表面的微细的硬度和晶粒的均匀度的指标,若冲压加工后的残余应力平衡差而冲压性差,则认为A0大于A。A0/A优选为0.995以下,更优选为0.993以下,进一步优选为0.990以下。
(Ni、Co以及Si的添加量)
通过进行适当的时效处理,Ni和Si以Ni-Si、Ni-Si―Co等金属间化合物的形式析出。通过该析出物的作用,强度提高,因析出导致固溶于Cu基质中的Ni、Co以及Si减少,因此,导电率提高。然而,若Ni+Co的量少于0.2质量%,则因固溶导致晶粒粗大化,冲压性恶化。
无法得到所期望的强度,相反,若Ni+Co的量多于5.0质量%,则弯曲加工性显著劣化。因此,在本发明的科森合金中,将Ni的添加量设为0~5.0质量%,将Co的添加量设为0~2.5质量%,将Ni+Co设为0.2~5.0质量%,将Si的添加量设为0.2~1.5质量%。Ni的添加量更优选为1.0~4.8质量%,Co的添加量更优选为0~2.0质量%,Si的添加量更优选为0.25~1.3质量%。
(其他添加元素)
Sn、Zn、Mg、Cr、Mn有助于提高强度。进而,Zn对提高镀Sn的耐热剥离性有效,Mg对提高应力松弛特性有效,Cr、Mn对提高热加工性有效。若Sn、Zn、Mg、Cr、Mn以总量计少于0.005质量%,则无法得到上述的效果,若Sn、Zn、Mg、Cr、Mn以总量计多于2.0质量%,则弯曲加工性显著降低。因此,在本发明的科森合金中,优选以总量计含有0.005~2.0质量%的这些元素,更优选以总量计含有0.01~1.0质量%的这些元素。
(平均晶粒直径)
为了改善弯曲性和冲压性,在观察轧制面的表面的金相组织,通过切断法测定出平均晶粒直径的情况下,平均晶粒直径优选为2~20μm。若平均晶粒直径为2μm以下,则局部地残存未再结晶,弯曲性恶化。另一方面,若平均晶粒直径为20μm以上,则冲压性恶化。从兼顾弯曲性和冲压性的观点考虑,平均晶粒直径的更优选的范围为2~15μm的范围,进一步优选的范围为2~12μm的范围。
(晶体取向)
在本发明中,通过X射线衍射法对轧制材料试样的板面进行θ/2θ测定,测定(200)面的衍射峰的积分强度(I(200))。另外,同时对作为随机取向试样的铜粉也测定(200)面的衍射峰的积分强度(I0(200))。然后,使用I(200)/I0(200)的值,对轧制材料试样的板面中的(200)面的发达程度进行评价。为了得到良好的冲压性,对轧制材料的表面中的I(200)/I0(200)进行调整。可以说,I(200)/I0(200)越高,Cube取向越发达。若将I(200)/I0(200)控制为小于1.0,则冲压性提高。另一方面,若I(200)/I0(200)小于0.1,则弯曲加工性恶化。
(冲压性)
冲压后的尺寸精度的评价通常需要用工业设备对窄间距连接器实施冲压,但通过进行简单的冲裁试验,并观察冲压断面,来评价冲压性(冲压后的尺寸精度)。在本发明中,使用间隙为0.005mm的一边为10mm的正方形模具的冲头(punch)和冲模(dice)来对材料进行冲压加工,观察冲压断面。在本发明中,使用了在冲压时能固定材料的带有可动冲孔模板(stripper)的模具。在对板厚不同的样品进行评价时,调整为间隙/板厚在5~8.5%的范围。
(制造方法)
在科森合金的一般制造工艺中,首先在熔化炉中熔化电解铜、Ni、Co、Si等原料,得到所期望的组成的金属熔液。然后,将该金属熔液铸造成铸锭(ingot)。此后,按热轧、冷轧、固溶处理、时效处理的顺序,精加工成具有所期望的厚度和特性的条、箔。在热处理后,为了去除热处理时所生成的表面氧化膜,可以进行表面的酸洗、研磨等。另外,为了实现高强度化,可以在固溶处理与时效之间或者时效后进行冷轧。
在本发明中,为了得到上述的0.1≤I(200)/I0(200)<1.0和A0/A≤1.000,在固溶处理之前,追加辊式矫直机工序和对即将进行辊式矫直机工序之前的冷轧后的材料表面的算术平均粗糙度Ra进行控制。
冷轧后的材料表面的算术平均粗糙度设为Ra≥0.15μm。该算术平均粗糙度Ra是基于JIS B0601(2001)求出的轧制后的材料表面的粗糙度。为了实现这样的算术平均粗糙度Ra,可以对轧制时的辊表面进行改良。若算术平均粗糙度Ra低于0.15μm,则晶体取向I(200)/I0(200)变高,冲压性恶化。若算术平均粗糙度Ra高于0.4μm,则有时弯曲性恶化,A0/A大于1.000而冲压性恶化。
辊式矫直机是为了向表层赋予残余应力而进行的。通常,在材料穿过上下配置的辊之间时,弯曲力起作用而导入残余应力。辊式矫直机的条件以材料的残余应力为目标进行设定。制品表面的残余应力设为250MPa以上,优选设为265MPa以上,进一步优选设为280MPa以上。若残余应力小于250MPa,则无法得到所期望的冲压性。对残余应力并不特别设定上限,但由于辊式矫直机进行通板时难以进行稳定通板,因此理想的是进行适当调节。
在此,本发明的残余应力是通过采用X射线衍射法测定(113)晶面距离相对于X射线入射角度的变化而求得的。作为测定方向,对(113)面测定与轧制方向平行的方向,求出了在该方向产生的残余应力值。也可以对其他的晶面、方向测定残余应力值,但在以该条件进行测定的情况下,测定的偏差最小,残余应力值和冲压性得到了最良好的相关性。需要说明的是,铜合金板的残余应力大多根据对板的单侧表面进行蚀刻(etching)时的板的翘曲量而计算出(须藤一:残余应力和变形,内田老鹤圃公司,(1988),p.46),但没有观察到通过该蚀刻法求出的残余应力值与冲压性的相关性。需要说明的是,若用表皮光轧来代替辊式矫直机,则难以得到所期望的残余应力。
即,若将本发明合金的制造方法按工序顺序列出,则如下所示。
(1)铸锭的铸造(厚度20~300mm)
(2)热轧(温度800~1000℃,至厚度3~20mm)
(3)冷轧(加工度80~99.8%,算术平均粗糙度Ra≥0.15μm)
(4)辊式矫直机(残余应力≥250MPa)
(5)固溶处理(700~980℃)
(6)冷轧(加工度0~50%)
(7)时效处理(在350~600℃下,2~20小时)
(8)冷轧(加工度0~50%)
(9)消除应力退火(在300~700℃下,5秒~10小时)
冷轧(6)和(8)是为了实现高强度化而任意进行的。但是,随着轧制加工度的增加,强度增加,另一方面,弯曲加工性趋于恶化。若(6)或(8)的加工度超过50%,则I(200)/I0(200)小于0.1,弯曲性恶化。
若固溶温度低于700℃,则残存未再结晶,弯曲加工性和冲压性恶化。另一方面,若固溶温度为980℃以上,则冲压性恶化。
消除应力退火(9)是为了在进行冷轧(8)的情况下恢复因该冷轧而降低的弹性极限值等而任意进行的。无论有无消除应力退火(9),通过晶体取向控制和表面压痕的面积控制,都能得到本发明的效果即兼顾良好的弯曲加工性和冲压性。
需要说明的是,对于工序(2)(3)(7)以及(9),选择科森合金的一般制造条件即可。
(用途)
本发明的科森合金能加工成各种伸铜制品,例如板、条以及箔,进而,本发明的科森合金能在引线框架、连接器、插针、端子、继电器、开关、二次电池用箔材料等电子设备部件等中使用。特别是,适合作为实施有严格的Bad Way的弯曲加工的部件。
实施例
以下,示出本发明的实施例,但这些实施例是为了更好地理解本发明及其优点而提供的,并非意图限定发明。
(发明例1)
将含有Ni:2.6质量%、Si:0.58质量%、Sn:0.5质量%、以及Zn:0.4质量%,剩余部分由铜和不可避免的杂质构成的合金作为实验材料,对预退火条件、轻轧制条件以及预退火前的轧制条件与晶体取向的关系,进而对晶体取向给制品的弯曲性和机械特性带来的影响进行了研究。
在高频熔化炉中,在氩气气氛中使用内径60mm、深度200mm的石墨坩埚熔化电解铜2.5kg。以得到上述合金组成的方式添加合金元素,将金属熔液温度调整为1300℃之后,浇注至铸铁制铸模中,制造出厚度30mm、宽度60mm、长度120mm的铸锭。按下述工序顺序对该铸锭进行加工,制作出板厚0.08mm的制品试样。
(1)热轧:将在950℃下加热了3小时的铸锭轧制至10mm。轧制后的材料立即进行水冷。
(2)磨削:用研磨机(grinder)去除了热轧中生成的氧化皮。每一面的磨削量设为0.5mm。
(3)冷轧:冷轧至规定的厚度。通过对冷轧时的工作辊的表面粗糙度进行调整来得到轧制后的材料的表面粗糙度。
(4)辊式矫直机:上下共排列了10对辊,对辊径和上下辊之间的间隙进行控制来得到所期望的残余应力。
(5)固溶处理:将试样和热电偶插入到调整为750~1200℃的电炉中,用热电偶测定材料温度,在材料温度达到700~980℃的时间点,将试样从炉中取出并放入到水槽中进行冷却。
(7)时效处理:使用电炉在450℃下、Ar气氛中加热5小时。
(8)冷轧:以加工度20%进行冷轧。
(9)消除应力退火:将试样插入到调整为400℃的电炉中,在保持10秒钟之后,将试样放置在大气中进行冷却。
(0.2%屈服强度)
以拉伸方向与轧制方向平行的方式采取JIS Z 2201中规定的13B号试验片,依据JIS Z 2241在与轧制方向平行的方向进行拉伸试验,求出0.2%屈服强度。
(晶粒直径)
通过蚀刻使轧制表面出现晶界。在该金相组织上,通过JIS-H0501中规定的切断法求出。
(制品的W弯曲试验)
依据JIS H3100,将内弯曲半径设为t(板厚),在Bad Way方向(弯曲轴与轧制方向正交)进行了W弯曲试验。然后,通过机械研磨和抛光将弯曲截面精加工成镜面,用光学显微镜观察有无裂纹。弯曲条件是弯曲半径(R)与板厚(t)的比例,将在R/t=1.0时实施W弯曲试验而未观察到裂纹的情况评价为◎,将在R/t=1.5时未观察到裂纹的情况评价为○,将在R/t=2.0时观察到裂纹的情况评价为×。
(制品的导电率测定)
依据JIS H0505,通过基于双桥的体积电阻率测定来求出。
(冲压性)
在配置于一边为10mm的正方形模具的冲头与将间隙设为0.005mm的冲模之间的状态下,使冲头以速度2mm/min向冲模位移来进行冲压。通过光学显微镜来观察冲压后的冲压断面,如图1所示,在将观察面的宽度设为L0,将剪切面与断裂面的边界部的总长度设为L的情况下,用L/L0评价冲压性。总长度L是根据观察面的照片使用图像解析软件计算出的长度。观察面的宽度L0通常设为板厚的6倍以上并测定三处。观察面设为冲压断面的宽度方向中央部分。表3中,“◎”表示(1<L/L0≤1.05),“○”表示(1.05<L/L0≤1.15),“×”表示(L/L0>1.15)。
(晶体取向)
对于各试验片,使用株式会社Rigaku制的RINT2500的X射线衍射装置,在以下的测定条件下获取表面的衍射强度曲线,测定(200)晶面的积分强度I,另外,对于纯铜粉末标准试样,也在同样的测定条件下测定(200)晶面的积分强度I,计算出I(200)/I0(200)
·对阴极(target):Co管球
·管电压:30kV
·管电流:100mA
·扫描速度:5°/min
·采样宽度:0.02°
·测定范围(2θ):5°~150°
(硬度试验后的面积测定)
依据JIS Z 2244,使用显微维氏硬度试验机打出压痕。进行利用正四棱锥的压头将1kg载荷的试验力施加于母材表面并保持10秒钟的维氏硬度试验,使用图像解析软件求出解除载荷后的凹坑的投影面积(A0)和连结压痕的顶点而得到的面积(A),计算出A0/A。
(残余应力)
通过X射线衍射法对(113)面求出在与轧制方向平行的方向产生的残余应力。应力测定的原理和计算式如下所示。
·残余应力测定原理
如图2所示,在存在拉伸残余应力的情况下,当使试样面法线N与晶格面法线N’所成的角度ψ变化来调查其衍射角度(2θ)的变化时,能通过下式求出残余应力σ。
[数1]
Figure GDA0002207139890000121
在此,σ为应力,E为杨氏模量,ν为泊松比,θ0为标准布拉格角。另外,K是由材料和测定波长决定的常数。图示出2θ与sin2Ψ的关系,利用最小二乘法求出斜率,将其乘以K而得到残余应力值。
将合金组成示于表1,将制造条件示于表2,将评价结果示于表3。另外,关于发明例1、发明例12以及比较例1的轧制材料,将形成于冲压断面的断裂面和剪切面的照片示于图4(a)~图4(c)。
[表1]
Figure GDA0002207139890000131
[表2]
Figure GDA0002207139890000141
[表3]
Figure GDA0002207139890000151

Claims (3)

1.一种铜合金条,其特征在于,
所述铜合金条是轧制材料,所述轧制材料含有0~5.0质量%的Ni或0~2.5质量%的Co、0.2~1.5质量%的Si,Ni+Co的合计量为0.2~5质量%,剩余部分由铜和不可避免的杂质构成,
进行利用正四棱锥的压头将1kg载荷的试验力施加于母材表面并保持10秒钟的维氏硬度试验,在将解除所述试验力后残留于所述母材表面的凹坑的投影面积设为A0,将连结压头的顶点而得到的面积设为A的情况下,A0/A≤1.000,
在分别将来自表面中的(200)面的X射线衍射强度设为I(200),将来自纯铜粉末标准试样的(200)面的X射线衍射强度设为I0(200)时,0.1≤I(200)/I0(200)<1.0。
2.根据权利要求1所述的铜合金条,其中,
通过切断法求出的轧制表面的平均晶粒直径为2~20μm。
3.根据权利要求1或2所述的铜合金条,其中,
以总量计,含有0.005~2.0质量%的Sn、Zn、Mg、Cr、Mn中的一种以上。
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