CN115074724A - 使用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
使用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层及其制备方法,属于激光涂层技术领域。向镍基自熔性合金粉末中加入一定比例的钒铁粉、B4C粉和Y2O3粉,在高能激光束的照射下,使复合粉末与基材表面快速熔化,在熔池中原位生成VC陶瓷硬质相,并快速凝固形成熔覆层。本发明原位反应生成的VC陶瓷硬质相与基体呈良好的冶金结合,熔覆层组织致密、均匀,无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。熔覆层的硬度达到了1000HV以上,耐磨性比镍基自熔性合金熔覆层提高4倍以上,用于修复轧辊可大大延长轧辊的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆耐磨涂层技术,具体涉及钢铁表面激光熔覆V元素增强Ni基复合耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
轧辊是轧钢机的中的重要零部件,轧辊在服役过程中不但要承受热轧钢材的反复加热和冷却水的激冷导致热疲劳效应,而且会受到由于热轧钢材对轧辊的摩擦和轧制力导致摩擦磨损。这些均加速轧辊的失效,降低轧辊的使用寿命,影响轧钢生产效率和生产成本。因此,为提高轧辊的使用寿命,在失效轧辊表面制备一层高硬度和良好耐磨性的涂层,不仅可以延长轧辊的使用寿命,还可以节约生产成本,提高轧钢生产效率。
激光熔覆被定义为一种运用高能激光能量束进行材料熔合的工艺,是一种先进的表面改性技术。它利用高能量密度的激光束使熔覆粉末与基材表面一起快速熔凝的方法,在基材表面形成冶金结合的熔覆层。激光熔覆可以实现工件表面性能的定制,实现熔覆层耐磨损、耐腐蚀、耐热、抗氧化等特性。
激光熔覆作为一种新型的表面改性技术,与其他的传统技术相比,具有诸多优势,如:稀释率低、热输入小、工件变形小、熔覆层组织细小、无孔洞、裂纹、夹渣且与基材结合强度高、凝固速度快等优点。目前,激光熔覆在航空航天、机械制造、汽车制造、军工和生物医学等领域有很广阔的应用前景。
激光熔覆材料按形状划分为合金粉末、丝材、片材等。其中,粉末状熔覆材料的应用最为广泛。激光熔覆所用的粉材主要有自熔性合金粉末、陶瓷粉末、复合粉末等。激光熔覆应用最广泛的自熔性合金粉末主要有镍基自熔性合金粉末、铁基自熔性合金粉末和钴基自熔性合金粉末。其中镍基自熔性合金粉末的应用最多,镍基自熔性合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性和高温抗氧化作用,适用于局部要求耐磨、耐热腐蚀和抗热疲劳的构件。镍基合金的合金化原理是镍基粉末中的Fe、Cr等元素固溶于γ-Ni,形成固溶强化,增加熔覆层的强度;B和C与合金中的Ni、Cr、Fe等形成多种硬质相,从而形成第二相强化和弥散强化。选用Ni-Cr-B-Si粉末,在Ni-B-Si粉末的基础上加入适量的Cr形成的。Cr固溶于γ-Ni提高熔覆层的硬度和耐磨性,但熔覆层的韧性会有所下降。
陶瓷颗粒具有高硬度高熔点等优点,但是陶瓷材料与金属基体的熔点、线膨胀系数、弹性模量、热导率等差别很大,熔覆层容易产生裂纹和气孔等缺陷。所以陶瓷粉末常被添加到自熔性合金粉末中形成复合粉末,激光熔覆复合粉末不仅可以将金属材料的强韧性、良好的成形性与陶瓷材料的高硬度、耐磨损耐腐蚀抗高温氧化等性能结合起来。目前,陶瓷材料强化相的加入方法有两种:直接添加法和原位合成法。原位自生的陶瓷相与基体的界面结合强度高,裂纹敏感性低,在液态金属中有较大的形成倾向,是近年来发展比较热门的金属基复合材料的制备方法。为了提高激光熔覆镍基合金涂层耐磨性,中国发明专利CN111560611A公开了一种钛合金表面激光熔覆制备过渡层的方法,即预先在钛合金表面制备过渡层,解决在钛合金表面直接激光熔覆制备镍基涂层出现的裂纹问题,具体为:在钛合金基材表面激光熔覆制备金属Nb层为过渡层的第一层,再激光熔覆金属Co层为过渡层的第二层,最后激光熔覆制备耐磨耐腐蚀的镍基合金工作层。该发明制备的钛合金表面镍基耐磨耐腐蚀涂层组织致密,无裂纹和夹杂等缺陷,熔覆层与钛合金基体界面处均形成良好的冶金结合。该发明所述的双金属过渡层能够有效解决钛合金基体与镍基耐磨耐腐蚀涂层的界面熔合区脆性相析出导致的涂层开裂问题。中国发明专利CN104005024A还公开了一种在钛金属表面制备高质量镍基合金涂层的激光熔覆方法,其特征是它由混合粉压实片预制和激光熔覆处理二个步骤组成。所述的混合粉压实片预制是指将镍基自熔性合金粉末、氧化镧粉末先用球磨机混合均匀,然后烘干,最后在压力机上压制成片。所述的激光熔覆处理是指将压制片放置在经清洁处理的钛金属表面,然后进行激光熔覆加工。该发明通过添加氧化镧(La2O3),提高了镍基涂层粉末对激光热的吸收性能,提高了涂层与基体的界面融合性能。该发明熔覆工艺性能优良,涂层组织致密,界面结合好,涂层与基体的过渡区的硬度呈梯度连续变化,实现了涂层到基体“软着陆”,涂层硬度HV642.86比基体硬度HV350显著提高。中国发明专利CN110424010A还公开了一种提高钎焊司太立合金抗水蚀性能的激光熔覆涂层及制备方法,在钎焊于汽轮机叶片的司太立合金基体表面激光熔覆涂层,涂层由连续相镍基合金材料与弥散强化相碳化钨颗粒组成,其中WC颗粒为球形,有效消除了尖角引起的应力集中,涂层不会发生开裂,而且WC颗粒表面具有一定厚度的氧化钨,避免了WC被熔化的镍基合金过度溶解,实现了对镍基合金相的最优弥散强化,涂层利用激光熔覆技术制备,效率高易操作,制备得到的涂层致密、无裂纹、孔隙率低。该发明提供的一种抗水蚀激光熔覆WC镍基涂层及其制备方法可用于大型核电汽轮机、火电汽轮机叶片表面抗水蚀涂层及制造和修复再制造,有效提高部件的服役性能和使用寿命。但是上述方法获得的激光熔覆镍基复合涂层硬度较低,耐磨性较差,无法满足热轧辊苛刻的使用要求。
VC陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度,热力学稳定性高,是一种理想的陶瓷增强相,原位自生的VC与基体结合良好,颗粒细小,裂纹倾向低。VC在激光熔覆涂层中有成功应用。中国发明专利CN109402629A公开了一种激光反应熔覆VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法,包括如下步骤:S1,选择金属材料作为基体,对所述基体表面进行打磨,清洗;S2,在打磨清洗后的所述基体表面设置一层打底熔覆层;S3,配置熔覆粉末,所述熔覆粉末中含有摩尔比为1:1:2的Ti、V以及C;S4,将所述熔覆粉末与有机粘结剂进行混合,并涂覆于所述打底熔覆层表面以形成预置涂层;S5,以激光束作为热源,对设置有所述预置涂层的基体进行激光熔覆处理以形成VC-TiC陶瓷熔覆层,得到所述VC-TiC陶瓷增强铁基复合材料。中国发明专利CN108486566A还公开了一种激光反应熔覆VC陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法,其中,包括如下步骤:S1,选择金属材料作为基体,对所述基体表面进行打磨,清洗;S2,在打磨清洗后的所述基体表面熔覆一层打底熔覆层;S3,选择V粉和C粉作为熔覆材料,按照V粉和C粉质量比为(3:1)~(11:2)进行混合形成熔覆粉末,通过粘结剂将所述熔覆粉末涂覆于所述基体的打底熔覆层表面以形成预置涂层;S4,以激光束作为热源,对所述预置涂层进行激光熔覆处理以形成陶瓷熔覆层,得到VC陶瓷增强铁基复合材料。该发明实施例的激光反应熔覆VC陶瓷增强铁基复合材料具有耐热、耐蚀、耐磨、高硬度等优良性能。中国发明专利CN108048835A还公开了一种激光反应熔覆VC-Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法,其中,激光反应熔覆VC-Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料的制备方法,包括:S1,选择金属材料作为基体,对基体表面进行打磨,清洗;S2,在基体表面设置一层打底熔覆层;S3,将Cr粉和C粉按照质量比为(35:4)~(11:10)进行混合形成熔覆粉末a,将V粉和C粉按照质量比为(3:1)~(11:2)进行混合形成熔覆粉末b,在将熔覆粉末a和熔覆粉末b按照质量比1:1进行混合形成熔覆粉末c,通过粘结剂将熔覆粉末c涂覆于基体的打底熔覆层表面以形成预置涂层;S4,以激光束作为热源,对预置涂层进行激光熔覆处理以形成VC-Cr7C3陶瓷熔覆层,得到VC-Cr7C3陶瓷增强铁基复合材料。但是,上述方法中都要加入粘结剂,容易污染熔覆粉末。另外都是采用铺粉方法进行激光熔覆,熔覆效率低。
熔覆材料的添加方式分为:同步送粉法和预置涂层法。预置涂层法中涂层材料中的黏结剂大多是有机物,在激光熔覆过程中会受热分解成气体,容易滞留在熔覆层中形成气孔,污染熔覆层和基体。同步粉法是由送粉器经过送粉管将复合粉末定量的送入工件表面的激光辐射区,这种送粉方式均匀、可控性好,容易实现自动化。本发明采用同步送粉方式进行激光熔覆。
通过在镍基自熔性合金粉末中添加钒铁、碳化硼和Y2O3粉,采用同步送粉法在40CrNiMo、42CrMo、40Cr等中碳低合金钢基材表面进行激光熔覆,原位生成VC颗粒,制备出高强度与耐磨性优异的合金熔覆层。
发明内容
本发明要解决在的技术问题是:针对现有的轧辊失效机制以及激光熔覆存在的缺陷,提出一种钢铁表面激光熔覆V元素增强Ni基耐磨涂层及其制备方法,解决延长轧辊使用寿命的问题。
一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,该方法的技术方案包括以下步骤:
(1)基体预处理
对加工好的40CrNiMo、42CrMo、40Cr等中碳低合金钢钢基材表面用角磨机进行打磨,并用无水乙醇进行清洗,得到平整光洁无氧化层的表面;
(2)激光熔覆
在较高功率和送粉率下采用复合合金粉末激光熔覆制备熔覆层,可以获得高度、宽度较大,稀释率较小的激光熔覆涂层;
将熔覆所用复合合金粉末按照设计配比好后放入球磨机,进行3h的机械混合,混合均匀后放入80℃烘干箱中烘干2h,干燥后的粉末放入送粉器中,采用同轴送粉的熔覆方式,在钢基板表面制备耐磨熔覆层。
步骤(2)复合合金粉末是由镍基自熔性合金粉、钒铁粉(所述钒铁粉的化学组成及质量分数为:79.22-80.68%V,Si<2.0%,Al<1.5%,C<0.30%,P<0.06%,S<0.05%,余量Fe及不可避免的杂质)、B4C粉和Y2O3粉组成;其中镍基自熔性合金粉是由C、B、Si、Cr、Fe、Ni及不可避免的杂质组成;
作为对本发明的限定,本发明所用的复合合金粉末的具体组成成分及质量百分含量为:0.28-0.32wt.%C,1.6-1.8wt.%B,2.5-2.9wt.%Si,8.5-9.5wt.%Cr,5.25-9.75wt.%FeV80(即钒铁粉),2.75-5.25wt.%B4C,1.5-1.8wt.%Y2O3,4.4-5.0wt.%Fe,Ni及不可避免的杂质。
镍基自熔性合金粉末的粒径范围为75-150微米,在镍基粉末中加入粒径范围为75-90微米的钒铁粉(即FeV80)、碳化硼粉(B4C)和Y2O3粉,钒铁粉和碳化硼粉的总质量分数为复合合金粉末总质量的8-15wt.%;熔覆层连续致密,成形性良好,无裂纹气孔等缺陷,与基板形成了冶金结合。
为了获得具有高硬度和良好耐磨性、显微组织结构均匀致密,与基体形成良好冶金结合的熔覆层,需要选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括:激光功率、激光扫描速度、送粉率、搭接率和保护气体流量等。当其他条件一定时,激光功率增大,基材吸收能量变大,熔覆层的稀释率变大,基材熔化增多,会降低熔覆层的力学性能,而当激光功率变小时,基材吸收能量变小,粉末熔化不够充分,稀释率过小,熔覆层与基材的结合强度低;当其他条件一定时,送粉率增加,熔覆层的厚度增大,裂纹敏感性增加。所以,各工艺参数之间良好搭配,才能获得组织性能良好的熔覆层。本发明所用的激光熔覆工艺参数为:激光功率2000W;扫描速度4mm/s;送粉率:15g/min;光斑直径:5mm×5mm;熔覆层的搭接率控制在33-37%;保护气体氩气流量:15L/min。
上述钢基体选用40CrNiMo、42CrMo、40Cr钢。
通过高能量激光束加热,在熔覆层中原位生成VC陶瓷颗粒硬质相。
本发明的复合合金粉末中,除了含有1.6-1.8wt.%B,2.5-2.9wt.%Si,8.5-9.5wt.%Cr,用于改善熔覆层的性能外,碳化硼中含有大量的硼,以及钒铁中铁的带入,会生成高硬度的铁硼化合物和铬硼化合物,提高熔覆层的硬度和耐磨性。碳化硼和钒铁的加入为了确保熔覆层中可以原位生成VC,促进熔覆层耐磨性的提升。加入1.5-1.8wt.%Y2O3,主要是为了细化激光熔覆层组织,消除熔覆层中的夹杂物,防止熔覆层出现气孔和开裂。
采用上述方案后,本发明取得的有益效果是:通过高能激光束辐照熔覆粉末,熔覆粉末与基材表面快速熔化凝固,形成激光熔覆层,原位生成了硬质陶瓷相VC。熔覆层与基材成冶金结合,熔覆层组织致密,无裂纹、夹渣和气孔等缺陷。熔池中的主要反映有:熔融状态下的V和C在高温熔池中原位反应生成VC;Cr和C在熔池中形成Cr3C2和Cr7C3等;以及B和Fe以及Cr形成铁硼相和铬硼相。熔覆层的硬度达到了1000HV以上,比基体材料40CrNiMo、42CrMo、40Cr等中碳低合金钢提高了1倍以上,本发明熔覆层耐磨性比镍基自熔性合金熔覆层提高4倍以上。本发明所用的V元素增强镍基耐磨激光熔覆层的制备工艺简便,过程易于实现自动化,无污染,且熔覆不需要在真空下进行,工件的尺寸基本不受限制,因此可用于大型轧辊的表面修复。同时熔覆过程中不使用钴、铌等贵重金属材料,节约成本,经济实用。
附图说明
图1为实施例1所得熔覆层显微组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施例,对本发明的技术方案进行进一步的说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1:
(1)40CrNiMo钢基体预处理
对事先加工好的40CrNiMo钢基体表面用砂纸和角磨机进行打磨,然后用无水乙醇进行清洗,基板在除锈、除油污后得到平整光洁的表面;
(2)激光熔覆
制备涂层所用的复合合金粉末的组成及质量分数
Cr:9.5wt.%
B:1.8wt.%
Si:2.9wt.%
C:0.32wt.%,4.8wt.%Fe
B4C:2.75wt.%,Y2O3:1.5wt.%
钒铁粉:5.25wt.%,(所述钒铁粉的化学组成及质量分数为:80.68%V,1.55%Si,0.74%Al,0.26%C,0.051%P,0.038%S,余量Fe及不可避免的杂质)
其余为Ni和不可避免的微量杂质元素。
镍基自熔性合金粉末的粒径范围为75微米-150微米。在镍基自熔性合金粉末中加入粒径范围为75-90微米的钒铁粉末、碳化硼粉末和Y2O3粉。钒铁粉末和碳化硼粉末的添加量之和为总质量的8wt.%;Y2O3粉添加量为总质量的1.5wt.%。将粉末按比例配好后用球磨机混粉3h,将混合均匀后的粉末在80℃的烘干箱进行2h的烘干,将烘干后的粉末放入送粉器中,在激光熔覆过程中同轴送粉。调节激光工艺参数:激光功率2000W,激光扫描速度4mm/s,氩气流量15L/min,光斑直径:5mm×5mm。在此激光工艺参数下制备原位合成VC增强镍基耐磨涂层。熔覆层的表面平均显微硬度为1008HV。熔覆层的搭接率控制在33%。
熔覆层的显微组织见图1。
实施例2:
(1)40Cr钢基体预处理
对事先加工好的40Cr钢基体表面用砂纸和角磨机进行打磨,然后用无水乙醇进行清洗,基板在除锈、除油污后得到平整光洁的表面;
(2)激光熔覆
制备涂层所用的复合合金粉末的组成及质量分数
Cr:9.0wt.%
B:1.7wt.%
Si:2.7wt.%
C:0.30wt.%,4.4wt.%Fe
B4C:3.5wt.%,Y2O3:1.6wt.%
钒铁粉:6.5wt.%(所述钒铁粉的化学组成及质量分数为:79.80%V,1.39%Si,1.07%Al,0.08%C,0.029%P,0.022%S,余量Fe及不可避免的杂质);
其余为Ni和不可避免的微量杂质元素。
镍基自熔性合金粉末的粒径范围为75微米-150微米。在镍基自熔性合金粉末中加入粒径范围为75-90微米的钒铁粉末、碳化硼粉末和Y2O3粉。钒铁粉末和碳化硼粉末的添加量为总质量的10wt.%;Y2O3粉添加量为总质量的1.6wt.%。将粉末按比例配好后用球磨机混粉3h,将混合均匀后的粉末在80℃的烘干箱进行2h的烘干,将烘干后的粉末放入送粉器中,在激光熔覆过程中同轴送粉。调节激光工艺参数:激光功率2000W,激光扫描速度4mm/s,氩气流量15L/min,光斑直径:5mm×5mm。在此激光工艺参数下制备原位合成VC增强镍基耐磨涂层。熔覆层的表面平均显微硬度为1102HV。熔覆层的搭接率控制在37%。
实施例3:
(1)42CrMo钢基体预处理
对事先加工好的42CrMo钢基体表面用砂纸和角磨机进行打磨,然后用无水乙醇进行清洗,基板在除锈、除油污后得到平整光洁的表面;
(2)激光熔覆
制备涂层所用的复合合金粉末的组成及质量分数
Cr:8.5wt.%
B:1.6wt.%
Si:2.5wt.%
C:0.28wt.%,5.0wt.%Fe
B4C:5.25wt.%,Y2O3:1.8wt.%
钒铁粉:9.75wt.%(所述钒铁粉的化学组成及质量分数为:79.22%V,1.13%Si,0.85%Al,0.18%C,0.038%P,0.017%S,余量Fe及不可避免的杂质)
其余为Ni和不可避免的微量杂质元素。
镍基自熔性合金粉末的粒径范围为75微米-150微米。在镍基自熔性合金粉末中加入粒径范围为75-90微米的钒铁粉末、碳化硼粉末和Y2O3粉。钒铁粉末和碳化硼粉末的添加量为总质量的15wt.%;Y2O3粉添加量为总质量的1.8wt.%。将粉末按比例配好后用球磨机混粉3h,将混合均匀后的粉末在80℃的烘干箱进行2h的烘干,将烘干后的粉末放入送粉器中,在激光熔覆过程中同轴送粉。调节激光工艺参数:激光功率2000W,激光扫描速度4mm/s,氩气流量15L/min,光斑直径:5mm×5mm。在此激光工艺参数下制备原位合成VC增强镍基耐磨涂层。熔覆层的表面平均显微硬度为1241HV。熔覆层的搭接率控制在36%。
本发明制备的用V元素增强镍基耐磨激光熔覆层,原位生成了硬质陶瓷相VC,熔覆层与基材成冶金结合,熔覆层组织致密,无裂纹、夹渣和气孔等缺陷。熔覆层的硬度达到了1000HV以上,比基体材料40CrNiMo、42CrMo、40Cr等中碳低合金钢提高了1倍以上,本发明熔覆层耐磨性比镍基自熔性合金熔覆层提高4倍以上,用于轧辊表面修复,可大大延长轧辊的使用寿命。
以上所述为本发明的较佳实施例,本专业技术人员可以在本项发明技术范围内进行许多变更以及修改。本发明技术性范围不局限于说明书上的内容,要根据权利要求范围确定技术性范围。
Claims (7)
1.一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)基体预处理
对加工好的钢基材表面用角磨机进行打磨,并用无水乙醇进行清洗,得到平整光洁无氧化层的表面;
(2)激光熔覆
在较高功率和送粉率下采用复合合金粉末,在步骤(1)经过预处理的钢基材表面采用激光熔覆制备熔覆层,可以获得高度、宽度较大,稀释率较小的涂层;
步骤(2)复合合金粉末是由镍基自熔性合金粉、钒铁(即FeV80)粉、B4C粉和Y2O3粉组成;其中镍基自熔性合金粉是由C、B、Si、Cr、Fe、Ni及不可避免的杂质组成;
所用的复合合金粉末的具体组成成分及质量百分含量为:0.28-0.32wt.%C,1.6-1.8wt.%B,2.5-2.9wt.%Si,8.5-9.5wt.%Cr,5.25-9.75wt.%FeV80,2.75-5.25wt.%B4C,1.5-1.8wt.%Y2O3,4.4-5.0wt.%Fe,余量为Ni及不可避免的杂质。
2.按照权利要求1所述的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,所述钒铁粉即FeV80的化学组成及质量分数为:79.22-80.68%V,Si<2.0%,Al<1.5%,C<0.30%,P<0.06%,S<0.05%,余量Fe及不可避免的杂质。
3.按照权利要求1所述的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,镍基自熔性合金粉末的粒径范围为75-150微米,在镍基粉末中加入粒径范围为75-90微米的钒铁粉(即FeV80)、碳化硼粉(B4C)和Y2O3粉,钒铁粉和碳化硼粉的总质量分数为复合合金粉末总质量的8-15wt.%。
4.按照权利要求1所述的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,将熔覆所用复合合金粉末按照设计配比好后放入球磨机,进行3h的机械混合,混合均匀后放入80℃烘干箱中烘干2h,干燥后的粉末放入送粉器中,采用同轴送粉的熔覆方式,在钢基板表面制备耐磨熔覆层。
5.按照权利要求1所述的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,步骤(2)激光熔覆工艺参数为:激光功率2000W;扫描速度4mm/s;送粉率:15g/min;光斑直径:5mm×5mm;熔覆层的搭接率控制在33-37%;保护气体氩气流量:15L/min。
6.按照权利要求1所述的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层的制备方法,其特征在于,步骤(1)钢基材选用40CrNiMo、42CrMo、40Cr钢。
7.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的一种用V元素增强Ni基耐磨激光熔覆涂层。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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