JP2004513233A - 高密度製品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、不規則な粉末粒子を有する鉄又は鉄基粉末の高速度圧縮によりＰＭ製品を製造する方法に関する。

Description

【０００１】
本発明は、粉末冶金の一般的分野に関し、特に高密度製品、及びそのような製品を達成するための圧縮操作に関する。
【０００２】
よく知られているように、通常の粉末冶金を実施する時、適当に調製した粉末の形の原料を用い、そのような原料を種々の方法の一つにより圧縮（ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ）し、次にそのようにして得られた生成物を希望の特性を持つ製品を得るための温度、圧力、及び環境雰囲気の組成物の適切な条件を適用して処理することを用いている。得られる最終特性は、成形操作の手段により得られる密度増大に著しく依存していることも当業者によく知られている。
【０００３】
密度を増大し、固体本体の密度の９２〜９８％の密度を有する成型体（ｃｏｍｐａｃｔ）を得るために金属又は非金属粉末を圧縮する方法は、爆発圧搾法（ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）である。この方法によれば、通常粉末を缶に入れ、その周りに爆薬を入れる。粉末に衝撃を与えるため爆薬を爆発させて本体を発射させ、それにより本体の速度を約２００ｍ／秒に変化させる或る実験も行われている。この方法の主な利点は、必要に従い、大きな資本投資を行うことなく大きな形状を有する高密度の棒を製造することができることである。しかし、爆薬を用いた粉末圧縮法は簡単なものではない。それは制御することができないので、工業的に大量生産するのには用いられない。更に、それは操作する人にとっては危険である。
【０００４】
爆発圧搾法の欠点を無くすための方法及び装置が、米国特許第４，２５５，３７４号明細書に記載されている。この特許によれば、圧縮すべき粉末に対する衝撃部材の速度を少なくとも３００ｍ／秒にすべきである。しかし、結果を報告する実例は挙げられておらず、我々の知る限りでは、この方法はＰＭ工業では受け入れられておらず、用いられてもいない。
【０００５】
工業的には、現在高密度を達成する種々の方法があり、例えば、金属粉末の組成を変化させてもよく、圧縮圧力を増大してもよく、圧縮操作を反復するか、或は加熱したダイス中で予め加熱した粉末又は予め成型したものを用いて圧縮を行なってもよい。
【０００６】
米国特許第６，２０２，７５７号明細書には、撃発機械（ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｅ）が記載されている。この機械は、主に金属棒を切断するためのものであるが、この機械は金属粉末の圧縮に用いてもよいことも述べられている。この機械は球形ガス噴霧粉末を圧縮するのに適合することが示唆されている。圧縮は幾つかの段階で行うのがよく、各段階又はストロークは特定の機能を有することも述べられている。例えば、ストローク１は極めて軽いストロークにし、ストローク２は高エネルギーストロークにし、ストローク３は中・高エネルギーを持つストロークにするのが良いことが教示されている。しかし、この機械を用いて金属粉末を圧縮した効果を実証する例は一つもない。この特許は対応する均質材料の密度の９４〜９９％の密度が、その圧縮を球形型で行えば得られるであろうと言うこと以外、そのような圧縮の効果について何も述べていない。
【０００７】
ＷＯ　９９／３６２１４公報には、前記米国特許第６，２０２，７５７号明細書に記載されている型のものと思われる圧縮法を用いた球形金属粉末の圧縮が記載されている。この既知の方法によれば、ゼラチンのような熱可逆性ヒドロコロイドが、圧縮を行う前の粉末粒子の凝集物を形成するための結合剤として必要である。このＷＯ公報は、不規則粒子を有する粉末で密度又は機械的性質を改良することに関しては顕著な効果は見られないことも教示している。球形粒子を有するこれらの粉末の凝集物を圧縮した時に得られる最高未加工密度は、理論密度の９５．２％であることが報告されている。この未加工（ｇｒｅｅｎ）物体を後で焼結工程にかけることによってのみ完全密度に近い生成物が得られる。
【０００８】
ＷＯ　９９／３６２１４公報で教示されていることとは対照的に、今度、米国特許第６，２０２，７５７号明細書に記載されている型の撃発機械を利用して不規則な形をした粒子を有する鉄粉末又は鉄基粉末を圧縮することにより、非常に大きな未加工密度を得ることができることが見出された。次の本文中、「高速度圧縮」又はＨＶＣとして言及するこの型の圧縮について、更に下で説明する。
【０００９】
本発明によれば、ＷＯ公報で教示されていることとは反対に、ゼラチンのような熱可逆性ヒドロコロイドを用いて粉末粒子を予め凝集することなく、粉末粒子をＨＶＣ圧縮にかけるのが良いことが発見された。ＷＯ公報に記載されているやり方でヒドロコロイドを用いると、腐食により鉄又は鉄基粉末が破壊されるであろう。
【００１０】
水噴霧（ｗａｔｅｒ−ａｔｏｍｉｓｅ）した粉末は、不規則な形をした粒子を有する種類の粉末で、本発明により用いることができる好ましいものである。本発明により用いることができる不規則な形をした粒子を有する別の種類の鉄粉末又は鉄基粉末は、スポンジ状鉄粉末である。そのような粉末の例は、純粋鉄粉末、例えば、水噴霧した粉末ＡＳＣ　１００．２９．である。純粋鉄粉末は、場合により、燐、銅、ニッケル、モリブデン、硫黄、クロム、マンガン、バナジウム、タングステン、コバルト等のような合金用元素と、その合金用元素の全量が金属粉末のせいぜい２０重量％になるまで混合してもよい。本発明により圧縮することができる他の鉄基粉末は、銅、ニッケル、及びモリブデンの元素を含有する或る程度合金化した（拡散合金化した）粉末である。銅の量は２５重量％まで、ニッケルの量は１０重量％まで、モリブデンの量は３重量％まででよい。他の種類の粉末は、予め完全に合金化した水噴霧粉末で、鉄の外に例えばモリブデン、ニッケル、マンガン及び／又はクロムを含有する粉末である。銅、ニッケル及び／又はモリブデンのような元素を中へ拡散アニールした予め合金化した基礎粉末を含む鉄基粉末を用いてもよい。しかし、今までの所、我々の結果は、凝集していない球形ガス噴霧粉末を、一般に理論密度に近い密度までＨＶＣ圧縮できることは示していない。
【００１１】
圧縮前に、黒鉛、フェロホスホル、硬質相材料、機械加工性向上剤、流動性向上剤、潤滑剤からなる群から選択された異なった特定の添加物を粉末に混合してもよい。黒鉛は、機械的性質を向上させるため、粉末の１重量％までの量で添加してもよい。粉末の充填は、従来の圧縮の場合と同じように行うことができる。
【００１２】
圧縮は潤滑されたダイスで行なってもよい。別法として、鉄又は鉄基粉末を圧縮前に潤滑剤と混合する〔＝内部潤滑又はバルク（ｂｕｌｋ）潤滑〕。ダイスの壁を潤滑するのと、内部又はバルク潤滑との組合せを用いることもできる。別の方法は、圧縮を行う前に潤滑剤被覆又はフイルムを有する粉末粒子を与えることである。この場合、ダイスの壁は潤滑してもしなくてもよい。そのようなフイルムは、圧縮操作中、その場で形成することもできる。必要な潤滑剤の量は、せいぜい１重量％、好ましくは０．６重量％より少なく、最も好ましくは０．３重量％より少ない。潤滑剤は、金属石鹸、ワックス及び熱可塑性材料、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアルコキシド、ポリアルコールのような従来用いられている潤滑剤の中から選択することができる。潤滑剤の特別な例は、ステアリン酸亜鉛、Ｈ−ワックス（登録商標名）及びケノルーブ（Ｋｅｎｏｌｕｂｅ）（登録商標名）である。これらの潤滑剤は、ダイス壁潤滑のために用いることもできる。
【００１３】
本発明による希望の高密度を有する製品を得るためには、圧縮方法が重要である。通常用いられる圧縮装置は、装置の歪みが余りにも大きくなるため、その働きは充分満足できるものではない。今度必要な高密度が、上で言及し、ここに参考のため入れてある米国特許第６，２０２，７５７号明細書に記載されてあるコンピューター制御された撃発機械を使用することにより得ることができることが見出された。特に、そのような撃発機械の衝撃ラムは、最終圧縮部品の希望の形に相当する形を有する空洞中に粉末が入ったダイスの上方パンチに衝撃を加えるのに用いることができる。ダイス、例えば従来用いられていたダイスを保持するための機構及び粉末充填用ユニット（これも慣用的型のものでよい）を補充すると、この撃発機械は、高密度成型体を製造するための工業的に有用な方法を可能にする。特に重要な利点は、従来提案されていた方法とは対照的に、油圧により駆動されるこの装置は、そのような高密度部品の大量生産（連続的製造）を可能にすることである。
【００１４】
米国特許第６，２０２，７５７号明細書には、撃発機械を使用することには「断熱的」成形が含まれることが述べられている。厳密な科学的意味で圧縮が断熱的であるかどうかは完全には明らかにされていないので、我々は、圧縮生成物の密度が粉末へ伝達される衝撃エネルギーによって支配されるこの種の圧縮に対し、高速度圧縮（ＨＶＣ）と言う用語を用いている。
【００１５】
本発明により、ラム速度は２ｍ／秒より大きくすべきである。ラム速度は、ダイスのパンチを通して粉末にエネルギーを与えるやり方である。慣用的プレスの圧縮圧力と、ラム速度との間には直線的等価関係は存在しない。このコンピューター制御ＨＶＣを用いて得られる圧縮は、衝撃ラム速度の外に、圧縮すべき粉末の量、衝撃物体の重量、衝撃、即ちストロークの回数、衝撃長さ、及び部品の最終的形状に依存する。更に、粉末の量が多いと、粉末の量が少ない場合よりも一層多くの衝撃を必要とする。従って、ＨＶＣ圧縮のための最適条件、即ち、粉末に伝達すべき動力学的エネルギーの量は、当業者によって行われる実験により決定することができる。しかし、米国特許第６，２０２，７５７号明細書に教示されていることとは対照的に、粉末を圧縮するための軽いストローク、高エネルギーストローク、及び中・高エネルギーストロークを含む特定の衝撃系列を用いる必要はない。本発明によれば、ストローク（２回以上のストロークが必要である場合）は、本質的に同じでもよく、粉末に同じエネルギーを与えるようにしてもよい。
【００１６】
現存する装置を用いた実験では、実施例によって例示するように、３０ｍ／秒までのラム速度を可能にし、約１０ｍ／秒のラム速度を用いて大きな未加工密度が得られている。しかし、本発明による方法は、これらのラム速度に限定されるものではなく、１００まで、又は２００、或は２５０ｍ／秒までにさえなるラム速度を用いることができると考えられている。しかし、約２ｍ／秒より低いラム速度は、緻密化の顕著な効果を与えない。３ｍ／秒より大きなラム速度が好ましい。最も好ましくは、ラム速度は５ｍ／秒より大きい。
【００１７】
更に、圧縮は、周囲、又は上昇させた温度、例えば９０〜１８０℃の温度で行うことができる。後者の場合、予め加熱した粉末組成物を、予め加熱したダイスで圧縮にかけ、潤滑剤は、特にこの目的のために開発された潤滑剤から選択してもよい。そのような温間圧縮潤滑剤の例は、例えば、米国特許第５，１５４，８８１号及び第５，７４４，４３３号明細書に記載されている。
【００１８】
一般に、本発明に従って用いられる潤滑剤の量は、従来のＰＭ圧縮法と比較して少なく、未加工成型体の密度は、可能な最高密度である無気孔密度に近い。無気孔密度（δ_Ｍ）は、理論的にのみ達成できるものであり、この密度（粉末混合物の密度）は、次の式により計算することができる：
δ_Ｍ＝１００／（ｗ_Ｆｅ／ρ_Ｆｅ＋ｗ_１／ρ_１＋ｗ_２／ρ_２＋ｗ_３／ρ_３…）
式中、
ρ_Ｆｅは、鉄粉末（基礎粉末）の比重である。
ｗ_Ｆｅは、鉄粉末の重量％である。
ρ_１、ρ_２、ρ_３、…は、添加物及び不純物の比重である。
ｗ_１、ｗ_２、ｗ_３、…は、添加物及び不純物の重量％である。
【００１９】
ＨＶＣ法と組合せて不規則な形をした粒子を有する粉末を用いることにより、理論（無気孔）密度の９８％より大きく、９９％より大きくさえある密度を有する未加工成型体を得ることができることが見出されているが、本発明はそのような大きな密度を有する未加工成型体の製造に限定されるものではない。純粋鉄粉末及び低合金化鉄粉末の場合、これは、約７．６５ｇ／ｃｍ^３より大きく、７．７０ｇ／ｃｍ^３より高くさえある密度に相当する。
【００２０】
本発明の特別な利点は、理論密度に近い密度を有する成型体を、ベルト炉のような慣用的炉中で、１１２０〜１１８０℃のような低い温度で焼結することができることである。このことは、そのような大きな未加工密度を得ることができず、成型体の収縮を起こす高い温度での焼結により大きな焼結密度が得られる慣用的圧縮方法とは対照的なものである。圧縮すべき粉末組成物中に潤滑剤を全く又は非常に僅かな量でしか含ませないでＨＶＣ圧縮方法を用いることにより、未加工密度は本質的に焼結した密度と同じになる。このことは、非常に良好な許容誤差が得られることを意味していることになる。
【００２１】
しかし、本発明は、そのような低い温度での焼結に限定されるものではなく、１４００℃までのような一層高い温度での焼結により、一層大きな密度を得ることができる。
【００２２】
本発明の方法の更に別の重要な利点は、微細な亀裂を持たない高密度製品を大量生産することができる可能性を与えていることである。微細亀裂の存在は、高密度製品についての特に大きな問題である。この場合、場合により黒鉛、フェロホスホル、硬質相材料、機械加工性改良剤のような特定の添加物と組合せた粉末粒子に、潤滑剤被覆又はフイルムを与える。この被覆又はフイルムは、凝集していない自由なばらばらの粉末粒子を含む含む組成物と潤滑剤とを混合し、その混合物を潤滑剤を溶融するため上昇させた温度に加熱し、然る後、得られた混合物を混合しながら冷却し、潤滑剤を固化し、潤滑剤フイルム又は被覆を有する粉末粒子又はその凝集物を与えることにより達成される。別法として、有機溶媒中に潤滑剤を溶解し、得られた溶液と粉末組成物とを混合し、溶媒を蒸発させることにより粒子を被覆する。潤滑剤は、上で特定化したものから選択されるのが好ましい。圧縮工程前に、得られた粉末混合物を、エアロジル（Ａｅｒｏｓｉｌ）のような流動剤と混合する。好ましい被覆方法は、ＷＯ　０１／１７７１６公報（これは参考のためここに入れてある）に記載されている。
【００２３】
潤滑剤被覆又はフイルムは、室温で液体であるか、又は圧縮操作と関連して、例えば、ダイスを加熱することにより溶融する潤滑剤により与えられてもよい。金属粒子の回りに潤滑剤フイルムを形成する更に別の方法は、圧縮操作中に発生する熱で、潤滑剤を溶融するのに充分なような化学的及び物理的性質を有する潤滑剤を用いることである。本発明は、潤滑剤被覆又はフイルムを与える特定の方法に縛られるものではない。
【００２４】
本発明により微細亀裂を持たない高密度製品を達成するために、潤滑剤の量を少なくし、粉末組成物中の潤滑剤の量を、好ましくは粉末組成物の１％より少なくすることも必須である。適当な範囲は、全組成物の１〜０．００５重量％である。ダイス壁の潤滑を用いずに圧縮を行う場合、粉末中の潤滑剤の量は、好ましくは０．８〜０．０１重量％、最も好ましくは０．８〜０．２重量％である。粉末組成物中の潤滑剤の量は、潤滑させたダイス中で圧縮を行うことにより更に少なくすることができ、この場合、粉末組成物中の潤滑剤の量は、０．４〜０．０１重量％の範囲にあるのが好ましい。
【００２５】
本発明による方法は、大きな成型体、例えば、約２ｋｇより大きな重量を有する成型体を製造するのに非常に適していることも判明している。そのような大きな部品の慣用的圧縮とは対照的に、本発明による方法は、大きくて高価な圧縮装置を必要とせず、工業的に競争できるやり方でそれら部品を製造することができる。更に、本発明は、簡単な幾何学的形態を有する成型体を製造するのに特に重要である。
【００２６】
本発明によるＨＶＣ圧縮で得られる反動は、慣用的圧縮法で得られる反動と比較してかなりの程度まで減少できることは、思いがけなく見出されたことである。本発明の方法は、成型体内の密度の変動を小さくして成型体を大量生産又は連続的に製造することも可能にしている。
【００２７】
簡単に述べると、本発明による方法により得られる最も重要な利点の幾つかは、大きな未加工密度及び焼結密度、微細亀裂のない高密度製品、慣用的ベルト炉での焼結、高密度部品の大量生産、及び大きな部品の大量生産である。
【００２８】
後で与える実施例は、用いられる金属粉末、潤滑剤の特性及び圧縮方法を記載しているが、それらに限定されるものではない。
【００２９】
例１
この例は、微細亀裂のない高密度成型体を製造することができる可能性を例示する。
【００３０】
２重量％のＮｉ及び１．５重量％のＭｏを含有する拡散合金化した鉄粉末である、スウェーデン、ヘーガネス（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ）ＡＢから入手された、ディスタロイ（Ｄｉｓｔａｌｏｙ）ＤＣｌを７０ｇ用いた。この粉末は、モリブデンを含有する予め合金化した基礎粉末にニッケルを拡散・アニーリングすることにより製造された。潤滑剤はケノルーブ（Ｋｅｎｏｌｕｂｅ）（登録商標名）であり、被覆は、ＷＯ　０１／１７７１６公報（これは参考のためここに入れてある）に記載されているようにして行なった。粉末混合物は０．６重量％の黒鉛、及び圧縮操作をダイス壁潤滑（次の表１では「ＤＷＬ」として省略されている）を用いて行うか否かにより、０．２又は０．５重量％のケノルーブも含有していた。粉末組成物は、流動性向上剤として０．０３％のエアロジル（Ａｅｒｏｓｉｌ）（登録商標名）も含んでいた。
【００３１】
米国特許第６，２０２，７５７号明細書に記載された型の撃発機械〔スウェーデン、ハイドロパルサー（Ｈｙｄｒｏｐｕｌｓｏｒ）からのＨＹＰ３５−４型〕を利用して圧縮を行なった。公称最大衝撃エネルギーは４０００Ｎｍであり、それはストローク長さとして表して９０ｍｍに相当していた。
【００３２】
ラム速度は約１０ｍ／秒であった。
【００３３】

【００３４】
粉末成型体の理論密度は次の通りであった：
ディスタロイＤＣｌ＋０．６Ｃ＋０．２％ケノルーブ＝７．６６ｇ／ｃｍ^３
ディスタロイＤＣｌ＋０．６Ｃ＋０．５％ケノルーブ＝７．５２ｇ／ｃｍ^３
【００３５】
例２
この例は、理論密度に近い密度を有する成型体を製造することができる可能性を例示し、圧縮は、内部潤滑及びダイス壁潤滑を夫々用いて行うことができることを例示している。この例は、球形粒子を有するガス噴霧粉末であるステライト（Ｓｔｅｌｌｉｔｅ）Ｆは、本発明の方法によっては圧縮できないことも示している。圧縮は、スウェーデン、ハイドロパルサーＡＢからの撃発機械ＨＹＰ３０１５型を利用して行なった。ストローク長さは４０ｍｍで、約５．５ｍ／秒のラム速度に相当していた。
【００３６】
ＨＶＣプレスの結果を表２に要約する。
【００３７】

【００３８】
成型体を、９０％の窒素及び１０％の水素の雰囲気中で１１２０℃で３０分間焼結した。表３に要約した結果が得られた：
【００３９】

【００４０】
未加工密度と、焼結密度との差が比較的小さいため、形状変化の許容誤差を狭くすることができる。
【００４１】
例３
この例は、水噴霧した、予め合金化した粉末の冷間及び温間ＨＶＣ圧縮を例示する。粉末はＡＣｒＭであり、これはヘーガネスＡＢから入手できる低合金化粉末であり、３重量％のＣｒ及び０．５重量％のＭｏを含有していた。図１から分かるように、大きな衝撃エネルギーで冷間及び温間の両方の圧縮で非常に大きな密度を得ることができる。最大理論密度は７．８２ｇ／ｃｍ^３である。この圧縮は、上記撃発機械（ＨＹＰ３５−４型）を利用して行なった。ストローク長さは２５〜４５ｍｍであり、４．５〜６ｍ／秒のラム速度に相当していた。
【００４２】
例４
この例は、比較的多量の合金化用元素を含む水噴霧粉末から成型体を製造することができる可能性を例示する。この粉末も、本発明の方法により理論密度に近くまで圧縮することができる。用いた粉末は、英国のパウドレックス社（Ｐｏｗｄｒｅｘ　Ｌｔｄ．）から入手できるＭ２であり、次の組成（重量％）を持っていた。
【００４３】

【００４４】
圧縮を潤滑したダイスで行い、撃発機械（ＨＹＰ３５−４型）を利用して行なった。次の結果が得られた：
【００４５】

【００４６】
ストローク長さ（即ち、圧縮される粉末の表面と、衝撃ラム本体の、パンチをその上方位置で打つ表面との間の距離）の、測定される相対密度に与える影響を図２に例示する。ストローク長さは、２〜９．５ｍ／秒のラム速度に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、アスタロイＣｒＭ粉末について、冷間及び温間圧縮の両方で得られた密度対衝撃エネルギーの関係を示すグラフである。
【図２】
図２は、ストローク長さの、測定密度及び相対密度に与える影響を例示するグラフである。

Claims (16)

1. 不規則な粉末粒子を有する粉末で、鉄基合金粉末及び本質的に純粋な鉄粉末からなる群から選択された粉末を型に満たし、
   前記粉末を、２ｍ／秒より大きな衝撃ラム速度で一軸加圧運動でＨＶＣ圧縮にかけ、
   得られた成型体を前記型から取り出し、場合により、前記得られた未加工成型体を焼結する
   工程を行うＰＭ製品製造方法。
2. 鉄粉末又は鉄基粉末が、水噴霧した粉末である、請求項１に記載の方法。
3. 鉄基合金粉末が、拡散合金化粉末、予め合金化した粉末、又は拡散アニールし、予め合金化した粉末である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 圧縮前の粉末を、一種類以上の添加物と混合する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 添加剤を、黒鉛、フェロホスホル、硬質相材料、加工性向上剤、流動性向上剤、潤滑剤からなる群から選択する、請求項１〜４のいずれか１項に記載方法。
6. 圧縮を、内部潤滑剤を用いずに、潤滑した型で行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 圧縮を、せいぜい１重量％、好ましくはせいぜい０．５重量％の潤滑剤を含有する粉末を用いて行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
8. 粉末粒子又はその凝集物を、潤滑剤で被覆する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 圧縮を、約３ｍ／秒より大きく、好ましくは５ｍ／秒より大きいラム速度で行う、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 圧縮を、粉末へ伝達される衝撃エネルギーにより制御する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 圧縮を、温間圧縮として行う、請求項１〜１０のいずれか１項に記載方法。
12. 理論密度の約９６％より大きい密度を有する成型体を製造する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 理論密度の約９８％より大きい密度を有する成型体を製造する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 焼結を、１２５０℃より低く、好ましくは１２００℃より低く、最も好ましくは１１６０℃より低い温度で、ベルト炉で行う、請求項２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
15. 大きな部品を製造する、請求項２〜１５のいずれか１項に記載の方法。
16. 高密度部品を大量生産する、請求項２〜１６のいずれか１項に記載の方法。

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