DE2120409C3 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium oder dessen Legierungen zur Ausbildung einer Oxidhydratschicht - Google Patents
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium oder dessen Legierungen zur Ausbildung einer OxidhydratschichtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium oder dessen Legierungen
zwecks Ausbildung einer zur Lackierung geeigneten Oberflächenschicht aus Aluminiumoxidhydrat durch
Einwirkung eines dampfförmigen Gemisches aus Wasserdampf und einem aliphatischen Chlorkohlenwasserstoff
bei normalem Atmosphärendruck.
Es ist oft erforderlich, die Oberflächen von Werkstükken aus Aluminium oder dessen Legierungen einer
Behandlung zu unterwerfen, deren Zweck darin besteht, eine im allgemeinen amorphe Schicht aus Aluminiumöxidhydrat
aufzubringen, welche in einer bestimmten kristallinen Variante vorliegt. Diese Notwendigkeit
einer Oberflächenbehandlung ergibt sich vor allem dann, wenn diese Oberflächen nach einer Entfettung
lackiert werden sollen, insbesondere nach einer 6S
Entfettung mittels organischer Lösungsmittel, wie chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe. Ohne
eine solche Behandlung tritt: nämlich eine Unverträglichkeit zwischen der metallischen Oberfläche und den
üblicherweise verwendeten Lacken auf. Diese Unverträglichkeit äußert sich in einer ungenügenden Haftung
der Lackschicht, deren unregelmäßigen Dicke sowie in anderen Oberzugsfehlern, die unter Umstünden sehr
bedeutend sein können.
Eine derartige Behandlung besteht im allgemeinen darin, die Oberflächen mit heißem Wasser oder
Wasserdampf zu behandeln, wobei eine oberflächliche Umsetzung mit dem Aluminium unter Bildung eines
Oxydhydrates der allgemeinen Formel AI2O3J1H2O
unter Freisetzung von Wasserstoff erfolgt
Man kann diese Behandlung bei einer Temperatur über 1000C und bei einem Druck durchführen, welcher
höher als der übliche Atmosphärendruck ist Diese Verfahrensweise bietet zwar den Vorteil einer Beschleunigung
der Umsetzungsreaktion, hat jedoch den Nachteil, daß sie in einem Autoklaven du-chgeführt
werden muß, was einer kontinuierlichen Verfahrensweise hindernd entgegensteht
Es ist auch eine Verfahrensweise bekannt (DE-AS 13 01 189), wobei während 6 bis 8 Minuten ein
Dampfgemisch aus Perchloräthylen und Wasserdampf mit einer Temperatur von 80 bjs 900C auf die
Werkstücke einwirken gelassen wird. Diese Temperatur
liegt jedoch erheblich weiter unterhalb des Siedepunktes von Perchloräthylen (12PC) als unter dem
Wassersiedepunkt, so daß das Dampfgemisch einen verhältnismäßig hohen Anteil an Wasserdampf enthält
und zur Verdampfung des Wassers erhebliche Energiemengen erforderlich sind.
Bei einer anderen bekannten Verfahrensweise (US-PS 32 47 026) mit kürzeren Behandlungszeiten von
einigen Sekunden wird nur Wasser oder Wasserdampf von 100°C angewandt, was jedoch eine mehrstufige
Vorbehandlung der Werkstücke notwendig macht
Auch eine Tauchbehandlung in einem sauren Wasserbad bei Temperaturen zwischen 75°C und dem
Siedepunkt ist bekannt (US-PS 33 80 860).
Zweck der Erfindung ist nun die Schaffung eines Verfahrens, wobei die Anwendung von Wasser wegen
seiner verhältnismäßig hohen Verdampfuingswärme weitgehend herabgesetzt werden kann, ohne jedoch
dadurch die Ausbildung einer einwandfreien Oxidhydrat-Schicht zu beeinträchtigen.
Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß diese Oberflächen der Einwirkung
eines dampfförmigen Gemisches mit einer Temperatur über 100°C ausgesetzt werden, das überwiegend aus
einem aliphatischen Chlorkohlenwasstcstoff mit einem
Siedepunkt über 100° C, aus Wasserdampf mit einem
geringeren Gewichtsanteil als dem Gewichiisanteil in
dem azeotropen Gemisch entspricht sowie aus einer flüchtigen Base besteht.
Der wesentliche Vorteil besteht hierbei darin, daß dadurch erhebliche Energiemengen eingespart werden
können, die zur Verdampfung größerer Wassermengen notwendig sind. Ferner wird durch die Anwendung
eines Dampfgemisches über 1000C in vorteilhafter
Weise eine Kondensation von Wassertröpfchen auf der Aluminiumoberfläche vermieden, was eine Fleckenbildung
zur Folge haben würde.
Da es vom chemischen Standpunkt her der Wasserdampf ist, welcher die gewünschte Oxidschicht
bildet, war es überraschend und keinesfalls vorauszusehen, daß man mit einem erheblich geringeren Wasseranteil
und verhältnismäßig kurzer Behandlungszeit von 15 bis 30 Sekunden zu gleichen vorteilhaften Ergebnissen
gelangen würde wie bei Verfahren, bei denen viel größere Wassermengen verdampft werden mössen und
minutenlange Behandlungszeiten angewandt werden.
Der Wasseranteil in der Dampfmischung beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren höchstem» s
10Gew.-%, und zwar etwa zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 2 und 4 Gew,-%.
Als flüchtige Base kann Ammoniak oder ein flüchtiges Amin, wie Triäthylamin, verwendet werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
kann aus einer von einer Förderkette für die zn behandelnden Werkstücke durchlaufenen Kammer in
Form eines aufrecht stehenden U bestehen, an dessen Boden sich über einer Heizeinrichtung das verdampfbare
Chlorkohlenwasserstoff/Wassergemisch befindet und an dessen Ausgangsschenkel eine Kühleinrichtung
mit einer Rückleitung zum Kammerboden angeordnet ist
Die praktische Durchführung des Verfahrens und die Zuführung des Chlorkohlenwasserstoffes, des Wassers
und der flüchtigen ease können in verschiedener Weise
und mit unterschiedlichen Mitteln erfolgen, je nach den jeweiligen Gegebenheiten. So können beispielsweise
diese Stoffe getrennt zugeführt werden oder auch in Mischung in einem flüssigen und bzw. oder gasförmigen
Zustand, wenn diese in die Behandlungskammer eintreten. Wenn die Stoffe in flüssigem Zustand in die
Behandlungskammer eingeführt werden, ist es wesentlich, diese zunächst in einen gasförmigen Zustand zu
überführen, bevor sie auf die zu behandelnden Flächen einwirken.
Wie bereits erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise eine Kondensation der gasförmigen
Mischung auf den zu behandelnden Flächen vermieden, weil hierbei eine Entmischung der Bestandteile eintreten
würde. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Stoffe sind nämlich nur in gasförmigem Zustand
miteinander mischbar, während sie sich in flüssigem Zustand entmischen. Tritt hierbei eine Übersättigung
der beiden Hauptkomponenten ein, trennt sich das Kondensat und der Chlorkohlenwasserstoff sowie
Wassertröpfchen befeuchten die Aluminiumfläche. Diese entmischte Flüssigkeit auf den zu behandelnden
Oberflächen ist aber insofern nachteilig, als sie die Regelmäßigkeit der sich bildenden Schicht aus Aluminiumoxidhydrat
beeinträchtigt. Derartige Strukturfehler in der Oberflächenschicht sind dann die Ursache
einer unregelmäßigen Haftung des Lackes, so daß die betreffenden Werkstücke nicht weiter verwendbar sind
und aussortiert werden müssen. so
Aus diesem Grunde werden auch diese Oberflächen selbst auf einer Temperatur über der Kondensationstemperatur der Dampfmischung gehalten, so daß eine
Kondensation der dampfförmigen Mischung in Form nicht mischbarer Flüssigkeitströpfchen vermieden wird.
Es ist daher von Vorteil, wenn in dem Augenblick, wo die Werkstücke in die Behandlungskammer eingeführt
werden, diese bereits auf eine Temperatur aufgeheizt sind, welche über derjenigen der Dampfmischung liegt
Aus den vorstehend erwähnten Gründen ist es auch <k>
selbstverständlich, jede Berührung der Werkstucke mit der flüssigen Phase des Chlorkohlenwasserstoff/Wassergemisches
zu vermeiden, welche sich am Boden der Behandlungskammer angesammelt haben könnte.
Als Chlorkohlenwasserstoff kann beispielsweise <>5
Perchloräthylen verwendet werden, dessen Siedepunkt unter Atmosphärendruck bei 1210C liegt. Mit Wasser
bildet das Perchloräthylen eine azeotrope Mischung mit 17,2% Wasser und einem Siedepunkt von 88,5"C, Da
jedoch diese beiden Stoffe nicht miteinander mischbar sind, kann man Wasser in einer solchen Menge zusetzen,
daß dieses nicht die gesamte Oberfläche des Perchlor
ät hy lens bedeckt, so daß dieses bei einer Erhitzung über
1000C ungehindert und frei von der nicht mit Wasser
bedeckten Oberfläche verdampfen kann. Die auf der Oberfläche des Perchloräthylens schwimmenden Tropfen
oder Pfützen des Wassers verdampfen ebenfalls unter ihren eigenen Bedingungen. Es ist auf diese Weise
praktisch möglich, durch eine Erhitzung über 1000C oder durch Sieden des Perchloräthylens in Gegenwart
von Wasser gasförmige Mischungen zu erzeugen, deren Zusammensetzung und Temperatur zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, d ta.
die wenigstens 90% Lösungsmittel und höchstens 10% Wasser in gasförmigem Zustand enthalten. Der
Wasserdampf kann hierbei auf eine Temperatur über 10O0C gebracht werden, indem dieser in engem Kontakt
mit dem Lösungsmitteldampf steht, welcher aus der nicht bedeckten Oberfläche entweicht
Es ist weiterhin möglich, durch Regulierung der Zufuhr des Wassers in flüssigem oder dampfförmigem
Zustand in die Behandlungskammer, in welcher sich bereits das Perchloräthylen auf der gewünschten
Temperatur befindet, d. h. auf Siedetemperatur, gasförmige
Mischungen verschiedener Zusammensetzungen zu erhalten, die ohne zu kondensieren auch bei
Temperaturen über 1000C und bei normalem Atmosphärendruck
stabil sind.
Es werden deshalb Behandlungstemperaturen über 1000C angewendet wobei im allgemeinen Temperaturen
von 110 bis 120°C in dem Behandlungsbereich ohne
Schwierigkeiten zu erzielen sind und zu guten Ergebnissen führen.
Wie bereits erwähnt wird eine Gasmischung verwendet, welche einen Wassergehalt zwischen 1 und
10Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1 und 5Gew.-%,
beispielsweise etwa 2 bis 4 Gew.-%, Wasser enthält Der übrige Anteil der Gasmischung besteht im wesentlichen
aus Perchloräthylen, da die Konzentration der flüchtigen Base im allgemeinen nur zwischen 1 und 1000 ppm
beträgt
Diese flüchtige Base, welche aus Ammoniak oder einem flüchtigen Amin, beispielsweise aus Triäthylamin,
bestehen kann, wirkt als Katalysator zur Beschleunigung der Umsetzung des Wassers mit dem Aluminium.
Der Zusatz dieser flüchtigen Base kann entweder in reiner Form erfolgen oder auch in Form einer wäßrigen
Lösung, welche mittels einer Pumpe oder einem Dosierventil zugeführt wird.
Es ist weiter möglich, nach experimenteller Bestimmung der Verluste an Wasser und Lösungsmittel eine
Dosiereinrichtung, beispielsweise eine Dosierpumpe, einzusetzen, welche bestimmte Mengen der beiden
Flüssigkeiten entweder kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen liefert
Das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren ist anwendbar unmittelbar im Anschluß an eine
Entfettung der Aluiminiumwerkstücke mittels organischen
Lösungsmitteln, wobei diese Werkstücke am Ende der Behandlung zumindest teilweise dem Lösungsmitteldampf
ausgesetzt werden. Aber auch eine getrennte Behandlung in einer unabhängigen Einrichtung
ist möglich, welche jeder vorhergehenden Oberflächenreinigung nachgeschaltet werden kann. Das erfindungsgemäße
Verfahren bietet den Vorteil, vor allem, wenn die Behandlungskammer unmittelbar im Anschluß
2i 20
an eine Entfettung mit organischen Lösungsmitteln angeordnet ist, daß beide NIaIe die Werkstücke in einer
Atmosphäre des Lösungsmitteldampfes behandelt werden und so bis zum Ende der Behandlung geschützt sind.
Durch Anwendung eines gemeinsamen Fördermittels können die beiden Behandlungen, die Entfettung und
Oberflächenbehandlung, in kontinuierlicher Arbeitsweise durchgeführt werden, da die erforderliche Reaktionszeit
für die erfindungsgemäße Behandlung bei jedem Werkstück eine Minute nicht übersteigt Vielmehr
genügen hierfür oft nur 15 bis 30 Sekunden.
Die Wirksamkeit und Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen einen weiten Anwendungsbereich
zu. Insbesondere gestattet es die generelle Anwendung einer Entfettung mittels organischer
Lösungsmittel für alle Aluminiumwerkstücke, bevor diese mit einer Lackierung versehen werden. Darüber
hinaus ist dieses Verfahren auch auf anderen Bereichen als zur Vorbereitung einer Lackierung anwendbar, und
zwar jedesmal dann, wenn eine Oberfläche aus Aluminium oder dessen Legierungen mit einer Schicht
aus Aluminiumoxidhydrat versehen werden colL
Die bereits erwähnte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen
aus einer Behandlungskammer, welche unmittelbar an den Ausgang einer Entfettungseinrichtung angeschlossen
werden kann. Diese Behandlungskammer ist in ihren oberen beiden Dritteln durch eine Trennwand
in eine U-Form aufgeteilt Oben am Ausgangsschenkel befindet sich eine Kühleinrichtung, weiche mit einem
Kühlmittel gekühlt wird.
Die zu behandelnden Aluminiumwerkstücke sind an einer Transportkstte befestigt. Diese Förderkette tritt
in den anderen Schenkel der Kammer ein, führt unter der Trennwand hindurch und verläßt die Kammer
wieder durch den Ausgangsschenkel, wobei sie durch die Kühleinrichtung läuft.
Am Boden der Kammer, und zwar noch unterhalb des untersten Umkehrpunktes der Transportkette, befindet
sich beispielsweise flüssiges Perchloräthylen, welches
mit einer Heizeinrichtung aufgeheizt wird. Die Temperatur dieses Perchloräthylens wird gemessen mittels
eines Thermoelementes, welches mit einer Regeleinrichtung verbunden ist Diese Regeleinrichtung wirkt
auf ein Ventil, womit die Zufuhr von Wasser in die Behandlungskammer gesteuert wird. Die Mischung aus
Lösungsmittel, Wasser und gegebenenfalls dem Basenzusatz wird an der Kühleinrichtung kondensiert, von
einem Sammler gesammelt und durch eine Außenleitung zum Kammerbod?n zurückgeführt.
Durch diese Außenleitung kann gleichzeitig der Zusatz der flüchtigen Rase erfolgen, welche sich in
einem Vorratsgefäß befindet Auch diese Zufuhr wird durch eine Dosierpumpe od. dgl. gesteuert. Auch die
Zufuhr von Wasser kann durch diese Außenleitung erfolgen, um etwaige Verluste auszugleichen und die
jeweiligen Arbeitsbedingungen einzuhalten. Dieses Wasser wird durch eine Leitung zugeführt, in welcher
sich das erwähnte Regelventil befindet Das zugeführte Wisser bildet auf der Oberfläche de» heißen Perchlor-IthylensTropfenoderPfützenverdtmpftundeleichMitii
mit dem Lösungsmittel, wobei die hierzu erforderliche Verdampfungswärme diesem entzogen wird. Auf diese
Weise stellt sich bei konstanter Beheizung ein Temperaturgleichgewicht ein, welches um so niedriger
ist, je mehr Wasser in einer Zeiteinheit verdampft, d. ti. je höher der Wasserdatnpfgehalt der Gasmischurig ist
Wasserdampfgehalt zu steuern, indem das erwähnte Dosierventil entsprechend eingestellt wird. Man kann
damit dit Temperatur des Perchlorftthylens auf einen
bestimmten Wert von beispielsweise etwa J15° C einstellen. Unter diesen Bedingungen bildet sich durch
Verdampfung eine gasförmige Mischung, welche eine Temperatur von kaum weniger als 115° C aufweist und
deren Wasserdampfgehalt etwa zwischen 2,1 und 2,7 Gew.-% liegt
Diese Gasmischung steigt dann in der Behandlungskammer nach oben und wirkt auf die Werkstücke an der
Transportkette. Durch die Kühleinrichtung werden die aufsteigenden Dämpfe kondensiert und in der beschriebenen
Weise zurückgeleitet so daß bis auf unvermeidbare Verluste keine Dämpfe nach außen entweichen
können.
Die Temperatur der Gasmischung wird gemessen mit Hilfe eines Thermoelementes.
Beim Durchgang durch die Kühleinrichtung verdunstet die Schicht aus Perchloräthylen auf den heißen
Werkstücken sehr rasch, so daß ditt« die Einrichtung in
trockenem Zustand verlassen.
Wenn bei einer vorgeschalteten Einfettung ebenfalls siedendes Perchloräthylen verwendet wird, besitzen die
zugeführten Werkstücke schon bereits eine Temperatur von :iwa 12O0C und sind von dem Perchloräthylen
benetzt Sie treten dann in die Behandlungskammer mit einer Temperatur ein, welche oberhalb derjenigen der
Gasmischung ist Auf diese Weise wird von vornherein eine Kondensation von Wasser auf der Oberfläche der
Werkstücke verhindert.
Diese Werkstücke gehen mit einem ausreichenden Abstand von der Oberfläche des Perchloräthylens durch
die Kammer, so daß sie auch hiermit in keinen Kontakt kommen, insbesondere auch nicht mit dem Wasser,
welches auf der Perchloräthylenoberfläche schwimmt
Bei der beschriebenen Vorrichtung sind selbstverständlich auch konstruktive Abänderungen möglich,
indem beispielsweise die Rückleitung unmittelbar innerhalb der Kammer verläuft und die notwendigen
Zusätze an Wasser und flüchtiger Base durch getrennte Zuleitungen erfolgen. Auch ist es nicht erforderlich, in
der Kammer einen Flüssigkeitssumpf aufrechtzuerhalten, da man beispielsweise auch so verfahren kann, daß
man Wasser und das Lösungsmittel in einem bestimmten Gewichtsverhältnis unmittelbar auf eine aufgeheizte
Fläche oder Platte auftreffen läßt, von wo aus dann eine rasche Verdampfung erfolgt Diese Gasmischung wird
dann auf die zu behandelnden Flächen geleitet und das Kondensat am Ausgang der Vorrichtung gesammelt
Es ist auch möglich, das Wasser und bzw. oder das Lösungsmittel unmittelbar in gasförmigem Zustand in
die Behandlungskammer eintreten zu lassen oder auch innerhalb dieser Kammer Überhitzer vorzusehen,
womit die Gasmischung auf Temperaturen aufgeheizt werden kann, welche über denjenigen liegt die durch
einfaches Sieden erreicht werden können.
Als numerisches Beispiel für die Durchführung des erfindungsgeniäßen Verfahrens sei angenommen, daß in
einer umlaufenden Perchloräthylen-Menge von etwa
2401, die ungefähr 390 kg entspricht, gearbeitet wird.
Der Wasseranteil im Dampfgeinisch sol! dabei 2 bis 2,2 Gew.-% betragen. Daher wird der Temperatur-Sollwert auf etwa 112° C eingestellt Die erforderliche
Wassermenge wi-d zweckmäßigerweise einem Reservoir, das mit einer etwa 20%igen wäßrigen Ammoniaklösung
gefüllt ist, und gegebenenfalls einem Zwischenspeicher entnommen, der zuvor mit Wasser gefüllt wird
oder noch Kondenswasser von der vorangehenden Betriebsperiode enthält. Auf diese Weise wird die
erforderliche Wassermenge rasch und selbsttätig zugeführt. Da im stationären Betrieb die Wasserdampfkonzentration
in der Dampfphase größer als in der flüssigen Phase ist, macht die jeweils in der Verdampfungs-
und Behandlungskammer befindliche Gesamtwassermenge weniger als der gewünschte Gewichtsanteil
im Dampfgemisch aus und kann im betrachteten Beispiel^ bis 6 I. insbesondere etwa 5 I betragen.
Das Reservoir für die Ammoniaklösung kann beispielsweise 301 fassen und wird bei Bedarf
regelmäßig nachgefüllt. Durch Zugabe der wäßrigen
Ammoniaklösung wird einerseits im Dampfgemisch ein pii-Wert von 9 bis 10 aufrechterhalten, und andererseits
werden die Wasserverluste des Systems ausgeglichen, so daß flüchtige Base und neues Wasser nicht getrennt
zugeführt zu werden brauchen.
Im betrachteten Beispiel beträgt die Verdampfungsleistung etwa 100 kg/h, die Geschwindigkeit des
Wasser- bzw. Wasserdampf-Umlaufs ungefähr 150 g/ min, also etwa 9 kg/h, und der mittlere, durch
Entweichen aus der Behandlungskammer und durch Reaktion auf den Aluminiumoberflächen entstehende
Verlust an Wasser etwa 4 bis 5 g/min bzw. 240 bis JOO g/h.
Claims (1)
- Patentansprüche;1, Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium oder dessen Legierungen zwecks Ausbildung einer zur Lackierung geeigneten Oberflächenschicht aus Aluminiumoxydhydrat durch Einwirkung eines dampfförmigen Gemisches aus Wasserdampf und einem aliphatischen Chlorkohlenwasserstoftf bei normalem Atmosphärendruck, dadurch ,gekennzeichnet, daß diese Oberflächen der i» Einwirkung eines dampfförmigen Gemisches mit einer Temperatur Ober 1000C ausgesetzt werden, das überwiegend aus einem aliphatischen Chlorkohlenwasserstoff mit einem Siedepunkt über 1000C, aus Wasserdampf mit einem geringeren Gewichtsanteil als dem Gewichtsanteil in dem azeotropen Gemisch entspricht sowie aus einer flüchtigen Base bestehtZ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfgemisch mit höchstens *> 10 Gew.-% Wasserdampf verwendet wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfgemisch mit einem Gehalt an Wasserdampf zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 2 und 4 Gew.-% verwendet *5 wird.4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfgemisch zumindest im Bereich der Einwirkung auf die zu behandelnden Oberflächen sowie diese Oberflächen selbst auf einer Temperatur über der Kondensationstemperatur des Dampfgemisches gehalten werden.5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aliphatischer Chlorkohlenwasserstoff Perchloräthylen verwendet wird.6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtige Base Ammoniak verwendet wird.7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtige Base ein flüchtiges Amin, 4» wie Triethylamin, verwendet wird.8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfgemisch auf vorher mittels organischer Lösungsmittel entfettete Oberflächen einwirken gelassen wird.
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