CN114411117A - 一种在不锈钢上制备表面微织构金刚石薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在不锈钢上制备表面微织构金刚石薄膜的方法。利用W/WN过渡层与不锈钢基底之间的热膨胀系数差在不锈钢表面制备出了具有微织构的金刚石薄膜,对于提高不锈钢的摩擦学性能,制备更高质量的医疗或食品器械有重要意义。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种在不锈钢上制备表面微织构金刚石薄膜的方法。
(二)背景技术
不锈钢具有较好的耐腐蚀性能和力学性能,在精密医疗器械和食品器械方面应用广泛。但它还存在硬度低和耐摩损性能差等问题。金刚石硬度高、摩擦系数低和化学稳定性高,是一种优异的耐磨材料。如果将它以薄膜形式沉积在不锈钢表面,则可以提高不锈钢的力学性能,在有耐磨损性能要求的医疗或食品器械用不锈钢中获得应用。
然而,直接在不锈钢表面沉积金刚石薄膜存在三大难点:(1)不锈钢与金刚石的热膨胀系数相差巨大,在CVD腔体中降温时会产生极大的热应力;(2)Fe、Co元素的催石墨化作用,导致金刚石薄膜难以形成;(3)C原子在不锈钢中的溶解度大,金刚石难以在不锈钢表面形核。目前,人们利用Cr、W、CrN、Si、Al和Cr/CrSiN等过渡层虽然可以在不锈钢表面制备出金刚石薄膜,提高了不锈钢的表面力学性能,但是金刚石的高硬度导致摩擦副的磨损较大,而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因。因此,减少磨损是目前面临的主要问题。表面织构技术又称为表面微织构或表面微造型,是指在表面加工形状规则分布的微小凹坑或点阵,起到收集磨屑、减小磨损的作用,已经成为提高材料表面摩擦学性能的重要手段。目前关于制备具有表面织构金刚石薄膜的研究报道很少。已有研究利用激光在不锈钢表面先加工出微织构,再沉积过渡层TiN,采用热丝化学气相沉积法制备了具有表面微织构的金刚石薄膜。但这种制备方法需要专门的激光设备,并且加工工序多,成本高,加工效率较低。因此,发展简单、低成本的方法在不锈钢表面制备微织构金刚石薄膜,具有重要的意义。
本发明利用W/WN过渡层与不锈钢基底之间的热膨胀系数差,在不锈钢表面制备出了具有微织构的金刚石薄膜,提供了一种在不锈钢上制备具有表面微织构金刚石薄膜的方法。
(三)发明内容
为了克服现有技术在不锈钢上制备具有表面微织构金刚石薄膜时存在加工工序多、成本高、加工效率较低、耐磨损性能不足等问题,本发明提供一种在不锈钢上制备具有表面微织构金刚石薄膜的方法。本方法操作简单,对设备需求较低,且制备的薄膜摩擦学性能明显提高。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,所述方法为:(1)用磁控溅射在预处理过的不锈钢表面上进行第一次磁控溅射制备钨层,然后进行第二次磁控溅射制备氮化钨层,得到表面为钨/氮化钨(W/WN)过渡层的样品;(2)对所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品进行超声种晶,得到超声种晶过的样品,然后利用热丝化学气相沉积(HFCVD)在所述超声种晶过的样品的钨/氮化钨过渡层表面沉积金刚石薄膜,即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜。
进一步,所述预处理过的不锈钢按如下方法制备:依次用800#、1000#、1500#、2000#碳化硅砂纸打磨不锈钢,将打磨过的不锈钢依次用无水乙醇和丙酮超声清洗并干燥,即得所述预处理过的不锈钢。
本发明采用的不锈钢为3Cr13不锈钢。
优选地,步骤(1)中第一次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体A(优选氩气),沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间40-80min(优选60min)。
优选地,步骤(1)中第二次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体B(优选氩气)和流量为5-25sccm(优选10-20sccm,更优选10-15sccm,最优选为10sccm)的氮气,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间60-180min。通过磁控溅射制备的WN过渡层的N含量(原子百分比)为18%-45%。
惰性气体A、惰性气体B都是惰性气体,此处用不同字母表示只是为了区分不同阶段的惰性气体,无其它特殊含义。
优选地,步骤(2)中所述超声种晶的过程为:将所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品放入金刚石粉的丙酮悬浊液中超声种晶10-30min,得到所述超声种晶过的样品;所述金刚石粉的丙酮悬浊液中,丙酮的体积以金刚石粉的质量计为50-100mL/g(优选100mL/g)。
本发明推荐所述超声种晶的功率为120-200W(特别优选160W)。
优选地,步骤(2)中所述热丝化学气相沉积包括两段沉积,第一段沉积的条件为:以丙酮为碳源,所述丙酮由流量为60-100sccm(优选80sccm)的氢气鼓泡带入到热丝化学气相沉积设备的反应室中,另外还通入流量为100-300sccm(优选200sccm)的纯氢气(调节丙酮浓度),热丝功率1800-2000W,以100-200℃/min的速率升温至基底温度为700-800℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积时间为10-30min;第二段沉积的条件为:将热丝功率降至1600-1800W,以200-400℃/h的速率降温至基底温度为600-700℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积20-40min,停止通入碳源,在通纯氢气条件下以100-300℃/h(优选200℃/h)的速率降温至室温(其他速率可能会导致金刚石薄膜脱落),即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜;第二段沉积的热丝功率与第二段沉积的热丝功率之差在100W以上(优选200W);功率不同,基底温度也不同。
具体来说,本发明尤其推荐所述在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法为:
(1)依次用800#、1000#、1500#、2000#碳化硅砂纸打磨不锈钢,然后将打磨过的不锈钢依次用无水乙醇和丙酮超声清洗并干燥,得到预处理过的不锈钢;用磁控溅射在预处理过的不锈钢表面上进行第一次磁控溅射制备钨层,第一次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体A(优选氩气),沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间40-80min(优选60min);然后进行第二次磁控溅射制备氮化钨层,第二次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体B(优选氩气)和流量为5-25sccm(优选10-20sccm,更优选10-15sccm,最优选为10sccm)的氮气,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间60-180min;得到表面为钨/氮化钨(W/WN)过渡层的样品;
(2)将所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品放入金刚石粉的丙酮悬浊液中超声种晶10-30min,得到所述超声种晶过的样品;然后利用热丝化学气相沉积(HFCVD)在所述超声种晶过的样品的钨/氮化钨过渡层表面沉积金刚石薄膜,所述热丝化学气相沉积包括两段沉积,第一段沉积的条件为:以丙酮为碳源,所述丙酮由流量为60-100sccm(优选80sccm)的氢气鼓泡带入到热丝化学气相沉积设备的反应室中,另外还通入流量为100-300sccm(优选200sccm)的纯氢气(调节丙酮浓度),热丝功率1800-2000W,以100-200℃/min的速率升温至基底温度为700-800℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积时间为10-30min;第二段沉积的条件为:将热丝功率降至1600-1800W,以200-400℃/h的速率降温至基底温度为600-700℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积20-40min,停止通入碳源,在通纯氢气条件下以100-300℃/h(优选200℃/h)的速率降温至室温(其他速率可能会导致金刚石薄膜脱落),即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜;所述金刚石粉的丙酮悬浊液中,丙酮的体积以金刚石粉的质量计为50-100mL/g(优选100mL/g);第二段沉积的热丝功率与第二段沉积的热丝功率之差在100W以上(优选200W)。
本发明推荐所述超声种晶的功率为120-200W(特别优选160W)。
制备的W/WN过渡层中,W层厚度应不小于1μm,WN层不应小于2μm。
与现有技术相比,本发明的有益效果主要体现在:(1)与同样厚度的无微织构金刚石薄膜相比,具有表面微织构的金刚石薄膜的摩擦学性能明显提高。(2)本方法工序简单,不需要额外的织构加工设备。
(四)附图说明
图1为实施例1中以W/WN过渡层沉积得到的金刚石薄膜的Raman光谱图;
图2为实施例1中以W/WN过渡层沉积的金刚石薄膜的表面形貌图;
图3为实施例2中以W/WN过渡层沉积得到的金刚石薄膜的Raman光谱图;
图4为实施例2中以W/WN过渡层沉积的金刚石薄膜的表面形貌图。
图5为实施例3中以W/WN过渡层沉积得到的金刚石薄膜的Raman光谱图;
图6为实施例3中以W/WN过渡层沉积的金刚石薄膜的表面形貌图。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例1:
使用线切割将3Cr13不锈钢切成10×10×3mm的块状,并用碳化硅砂纸按800#、1000#、1500#、2000#顺序对不锈钢表面进行打磨,依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗15min后取出干燥待用。
将清洗后的不锈钢片放入磁控溅射设备(JGP-450型快速离子镀膜仪)腔室中进行W层的沉积,氩气流量15sccm,沉积气压0.8Pa,基底温度200℃,W靶功率100W,沉积时间为60min,沉积结束后再进行WN层沉积,W靶功率100W,沉积时间60min,氩气流量保持不变,氮气流量10sccm,WN薄膜中的N原子百分比为18%,W/WN完成沉积后取出样品干燥待用。
将沉积有W/WN过渡层的不锈钢样品放入平均粒径为250纳米的金刚石粉(柘城惠丰钻石科技股份有限公司型号HFD-P-T)和丙酮的悬浊液中超声(昆山市超声仪器有限公司,型号:KQ5200DE,超声功率:160W)震荡种晶30min(金刚石粉和丙酮比例为1g:100ml)。将种晶后的不锈钢片放入热丝化学气相沉积设备(上海交通大学研制HFCVD 001)中进行50min金刚石薄膜的生长。前10min长膜参数为:热丝功率1800W,基底温度700℃,升温速率100℃/min,以丙酮为碳源,采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中,碳源和氢气的流量比80sccm:200sccm,偏流1A,工作气压1.5kPa;后40min钽丝功率为1600W,基底温度600℃,其他参数保持不变;沉积结束后,在通氢气条件下以100℃/h冷却至室温,取出样品。
通过Raman光谱对所制得的膜层进行定性分析。图1为在不锈钢上制备的表面微织构金刚石薄膜样品的Raman光谱图,在1332cm-1附近出现了明显金刚石特征峰,可知所制备的是金刚石薄膜。图2为具有表面微织构金刚石薄膜样品的表面图,可见金刚石薄膜表面呈现“冰裂纹”状的表面微织构。以摩擦磨损测试仪(HT-2001),在载荷1N、转速200r/min、时间为30min和对磨体为直径5mm的GCr15钢球的条件下,对样品的耐磨损性能进行测试,测试的磨损率为4.00×10-6mm3N-1m-1。
对比例1:
在同样测试条件下,在3Cr13不锈钢表面以Cr/CrSiN为过渡层制备的无织构金刚石薄膜(金刚石膜厚度、金刚石含量与有织构的金刚石膜相同)的磨损率为2.01×10-5mm3N- 1m-1。
对比样制备工艺为:使用线切割将3Cr13不锈钢切成10×10×3mm的块状,采用碳化硅砂纸按800#、1000#、1500#、2000#顺序对不锈钢表面进行打磨,依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗15min后取出干燥待用。将清洗后的不锈钢片放入磁控溅射设备(JGP-450型快速离子镀膜仪)腔室中进行Cr/CrSiN层的沉积。先制备Cr层,Cr靶功率100W,氩气流量20sccm沉积气压1.0Pa,沉积时间为20min,沉积结束后再进行CrSiN层沉积,Cr靶功率100W,Si靶功率60W,氩气流量20sccm,氮气流量5sccm,沉积时间60min。无织构金刚石薄膜的沉积工艺为:将沉积有Cr/CrSiN过渡层的不锈钢样品放入平均粒径为250纳米的金刚石粉(柘城惠丰钻石科技股份有限公司型号HFD-P-T)和丙酮悬浊液中超声(昆山市超声仪器有限公司,型号:KQ5200DE,超声功率:160W)震荡种晶30min(金刚石粉和丙酮比例为1g:100ml)。将种晶后的不锈钢片放入热丝化学气相沉积设备(上海交通大学研制HFCVD 001)中进行50min金刚石薄膜的生长。热丝功率1800W,基底温度700℃,升温速率100℃/min,以丙酮为碳源,采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中,碳源和氢气的流量比80sccm:200sccm,偏流4A,工作气压1.5kPa;后40min钽丝功率为1600W,基底温度600℃,其他参数保持不变;沉积结束后,在通氢气条件下以200℃/h冷却至室温,取出样品。
实施例1制备的微织构金刚石薄膜对磨球的磨损率比无织构金刚石薄膜对磨球磨损率降低了80%。说明表面微织构金刚石薄膜具有优异的减摩效果。
实施例2:
使用线切割将3Cr13不锈钢切成10×10×3mm的块状,并用碳化硅砂纸按800#、1000#、1500#、2000#顺序对不锈钢表面进行打磨,分别放入无水乙醇和丙酮中超声清洗15min后取出干燥待用。
将清洗后的不锈钢片放入磁控溅射设备(JGP-450型快速离子镀膜仪)腔室中进行W层的沉积,氩气流量20sccm沉积气压1.0Pa,基体温度300℃,W靶功率150W,沉积时间为60min,沉积结束后再进行WN层沉积,W靶功率150W,沉积时间120min,氩气流量保持不变,氮气流量15sccm,WN薄膜中的N原子百分比为37%,W/WN完成沉积后取出样品干燥待用。
将沉积有W/WN过渡层的不锈钢样品放入平均粒径为250纳米的金刚石粉(柘城惠丰钻石科技股份有限公司型号HFD-P-T)和丙酮的悬浊液中超声(昆山市超声仪器有限公司,型号:KQ5200DE,超声功率:160W)震荡种晶30min(金刚石粉和丙酮比例为1g:100ml)。将种晶后的不锈钢片放入热丝化学气相沉积设备(上海交通大学研制HFCVD 001)中进行50min金刚石薄膜的生长。前20min长膜参数为:热丝功率1900W,基底温度750℃,升温速率150℃/min,以丙酮为碳源,采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中,碳源和氢气的流量比80sccm:200sccm,偏流3A,工作气压2.0kPa;后30min钽丝功率为1700W,基底温度650℃,其他参数保持不变;沉积结束后,在通氢气条件下以150℃/h冷却至室温,取出样品。
图3为在不锈钢上制备的表面微织构金刚石薄膜样品的Raman光谱图,在1332cm-1附近出现了明显金刚石特征峰,可知所制备的是金刚石薄膜。图4为具有表面微织构金刚石薄膜样品的表面图,可见金刚石薄膜表面呈现“冰裂纹”状的表面微织构。样品对磨球的磨损率为4.61×10-6mm3N-1m-1,微织构金刚石薄膜对磨球的磨损率比无织构金刚石薄膜对磨球磨损率降低了77%。说明表面微织构金刚石薄膜具有优异的减摩效果。
实施例3:
使用线切割将3Cr13不锈钢切成10×10×3mm的块状,并用碳化硅砂纸按800#、1000#、1500#、2000#顺序对不锈钢表面进行打磨,分别放入无水乙醇和丙酮中超声清洗15min后取出干燥待用。
将清洗后的不锈钢片放入磁控溅射设备(JGP-450型快速离子镀膜仪)腔室中进行W层的沉积,氩气流量25sccm沉积气压1.2Pa,基体温度500℃,W靶功率200W,沉积时间为60min,沉积结束后再进行WN层沉积,W靶功率200W,沉积时间180min,氩气流量保持不变,氮气流量20sccm,WN薄膜中的N原子百分比为45%,W/WN完成沉积后取出样品干燥待用。
将沉积有W/WN过渡层的不锈钢样品放入平均粒径为250纳米的金刚石粉(柘城惠丰钻石科技股份有限公司型号HFD-P-T)和丙酮的悬浊液中超声(昆山市超声仪器有限公司,型号:KQ5200DE,超声功率:160W)震荡种晶30min(金刚石粉和丙酮比例为1g:100ml)。将种晶后的不锈钢片放入热丝化学气相沉积设备(上海交通大学研制HFCVD 001)中进行50min金刚石薄膜的生长。前30min长膜参数为:热丝功率2000W,基底温度800℃,升温速率200℃/min,以丙酮为碳源,采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中,碳源和氢气的流量比80sccm:200sccm,偏流5A,工作气压3.0kPa;后20min钽丝功率为1800W,基底温度700℃,其他参数保持不变;沉积结束后,在通氢气条件下以200℃/h冷却至室温,取出样品。
图5为在不锈钢上制备的表面微织构金刚石薄膜样品的Raman光谱图,在1332cm-1附近出现了明显金刚石特征峰,可知所制备的是金刚石薄膜。图6为具有表面微织构金刚石薄膜样品的表面图。样品对磨球的磨损率为1.92×10-5mm3N-1m-1,微织构金刚石薄膜对磨球的磨损率比无织构金刚石薄膜对磨球磨损率降低了5%。
Claims (10)
1.一种在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于所述方法为:
(1)用磁控溅射在预处理过的不锈钢表面上进行第一次磁控溅射制备钨层,然后进行第二次磁控溅射制备氮化钨层,得到表面为钨/氮化钨过渡层的样品;(2)对所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品进行超声种晶,得到超声种晶过的样品,然后利用热丝化学气相沉积在所述超声种晶过的样品的钨/氮化钨过渡层表面沉积金刚石薄膜,即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜。
2.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于所述预处理过的不锈钢按如下方法制备:依次用800#、1000#、1500#、2000#碳化硅砂纸打磨不锈钢,将打磨过的不锈钢依次用无水乙醇和丙酮超声清洗并干燥,即得所述预处理过的不锈钢。
3.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于步骤(1)中第一次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体A,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间40-80min。
4.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于步骤(1)中第二次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体B和流量为5-25sccm的氮气,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间60-180min。
5.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于步骤(2)中所述超声种晶的过程为:将所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品放入金刚石粉的丙酮悬浊液中超声种晶10-30min,得到所述超声种晶过的样品;所述金刚石粉的丙酮悬浊液中,丙酮的体积以金刚石粉的质量计为50-100mL/g。
6.如权利要求5所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于:所述超声种晶的功率为120-200W。
7.如权利要求5所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于:所述金刚石粉的丙酮悬浊液中,丙酮的体积以金刚石粉的质量计为100mL/g。
8.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于:步骤(2)中所述热丝化学气相沉积包括两段沉积,第一段沉积的条件为:以丙酮为碳源,所述丙酮由流量为60-100sccm的氢气鼓泡带入到热丝化学气相沉积设备的反应室中,另外还通入流量为100-300sccm的纯氢气,热丝功率1800-2000W,以100-200℃/min的速率升温至基底温度为700-800℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积时间为10-30min;第二段沉积的条件为:将热丝功率降至1600-1800W,以200-400℃/h的速率降温至基底温度为600-700℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积20-40min,停止通入碳源,在通纯氢气条件下以100-300℃/h的速率降温至室温,即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜;第二段沉积的热丝功率与第二段沉积的热丝功率之差在100W以上。
9.如权利要求8所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于:第二段沉积的热丝功率与第二段沉积的热丝功率之差为200W。
10.如权利要求1所述的在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法,其特征在于所述在不锈钢表面制备具有表面微织构的金刚石薄膜的方法为:
(1)依次用800#、1000#、1500#、2000#碳化硅砂纸打磨不锈钢,然后将打磨过的不锈钢依次用无水乙醇和丙酮超声清洗并干燥,得到预处理过的不锈钢;用磁控溅射在预处理过的不锈钢表面上进行第一次磁控溅射制备钨层,第一次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体A,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间40-80min;然后进行第二次磁控溅射制备氮化钨层,第二次磁控溅射的条件为:通入流量为15-25sccm的惰性气体A和流量为5-25sccm的氮气,沉积气压为0.8-1.2Pa,基底温度为200-500℃,W靶溅射功率100-200W,沉积时间60-180min;得到表面为钨/氮化钨过渡层的样品;
(2)将所述表面为钨/氮化钨过渡层的样品放入金刚石粉的丙酮悬浊液中超声种晶10-30min,得到所述超声种晶过的样品;然后利用热丝化学气相沉积在所述超声种晶过的样品的钨/氮化钨过渡层表面沉积金刚石薄膜,所述热丝化学气相沉积包括两段沉积,第一段沉积的条件为:以丙酮为碳源,所述丙酮由流量为60-100sccm的氢气鼓泡带入到热丝化学气相沉积设备的反应室中,另外还通入流量为100-300sccm的纯氢气,热丝功率1800-2000W,以100-200℃/min的速率升温至基底温度为700-800℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积时间为10-30min;第二段沉积的条件为:将热丝功率降至1600-1800W,以200-400℃/h的速率降温至基底温度为600-700℃,工作气压1.5-3.0kPa,偏流1-5A,沉积20-40min,停止通入碳源,在通纯氢气条件下以100-300℃/h的速率降温至室温,即得所述具有表面微织构的金刚石薄膜;所述金刚石粉的丙酮悬浊液中,丙酮的体积以金刚石粉的质量计为50-100mL/g;第二段沉积的热丝功率与第二段沉积的热丝功率之差在100W以上。
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