KR100722395B1 - 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고성형성 미세 구상화 고탄소강판의 제조방법은, 고성형성 미세 구상화 고탄소강을 소둔로에서 소둔할 때, 소둔 온도와 소둔 시간의 조합을 구상화 매개변수로 변환하여, 신장 플랜지성과 구상화 매개변수와의 관계를 규명함으로써, 소둔로의 가열 패턴과 냉각 패턴 및 온도 제약 상황 하에서, 성형성을 최대로 증가시키는데 필요한 최적의 구상화 소둔 조건 및 이 조건을 도출하는 방법을 적용하는 것으로서, 강 슬라브를 제조하는 단계, 상기 슬라브를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계, 및 상기 열연강판을 구상화 소둔하는 단계를 포함하며, 상기 구상화 소둔 단계에서 구상화 소둔 조건은 하기 수식을 만족한다.

구상화 소둔, 조건, 시간, 구상화 매개변수, 신장 플랜지성

Description

고성형성 미세 구상화 고탄소강판 및 그 제조 방법 {spheroidization steel having high forming and method making of the same}

도1은 소둔로에서 가열, 냉각, 및 유지 중에 본 발명에 따른 구상화 매개변수 값을 환산하여 구하는 방법을 표시하는 그래프이다.

도2는 본 발명에 따른 소재의 구상화 매개변수와 신장 플랜지성과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도3은 실제 소둔로에서 코일을 소둔할 때 코일 각부에 전달되는 열의 분포와 열 이력을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성형성을 최대로 증가시키는데 필요한 최적의 구상화 소둔 조건 및 이 조건을 도출하는 방법을 적용하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일례로서, 신장 플랜지성이 우수한 고성형성 미세 구상화 고탄소강판을 제조하는 방법은, 탄화물이 존재하지 않는(실질적으로 1% 이하의 탄화물이 존재하는 것 포함) 초석 페라이트의 분율이 10% 이하이며, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 10% 이하이고, 주요 상(phase)이 베이나이트로 구성되거나 혹은 베이나이트와 마르텐사이트로 구성됨에 따라 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조하는 공정과, 이 열연강판의 열연조직을 구상화 후 최적의 미세 조직에 따른 최대 성형성이 나타나는 조건으로 구상화 소둔함에 의하여 열연조직을 미세 구상화된 세멘타이트와 페라이트로 구성된 미세 조직으로 바꾸어 주는 소둔 공정을 포함한다.

종래의 구상화 소둔 공정을 살펴보면, 구상화 소둔 온도는 생산성 향상을 위해 가능한 높이고, 구상화 소둔 시간은 현장 경험에 의존하여 시행착오 방법을 사용하여 설정했다.

따라서, 신장 플랜지성 등 성형성 향상을 위한 최적 구상화 소둔 조건을 설정하는데 많은 비용과 노력이 소요되었다.

즉, 설비변경, 제품의 제약 등으로 노의 승온 패턴 및 냉각 패턴이 변하거나, 소둔 온도를 재설정해야 할 때마다 새로 시행착오 방법이 사용되어야 한다. 이 뿐만 아니라, 기설정된 조건이 과구상화 되지 않은 최적의 상태인지 확인할 방법이 없다.

이에 따라, 제조 현장에서는 구상화 조건을 설정하는 데 많은 시간과 비용을 들이게 되고, 이러함에도 불구하고 제품의 신장 플랜지성 등 성형성을 최적으로 구현하지 못하고 있다.

이 고성형성 미세 구상화 고탄소강판을 제조하는 방법은, 신장 플랜지성 등 의 성형성을 최대로 증가시키기 위하여, 필요한 최적 구상화 소둔 조건 및 그 조건을 도출하는 방법을 요구한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 고성형성 미세 구상화 고탄소강을 소둔로에서 소둔할 때, 소둔 온도와 소둔 시간의 조합을 구상화 매개변수로 변환하여, 신장 플랜지성과 구상화 매개변수와의 관계를 규명함으로써, 소둔로의 가열 패턴과 냉각패턴 및 온도 제약 상황 하에서, 성형성을 최대로 증가시키는데 필요한 최적의 구상화 소둔 조건 및 그 조건을 도출하는 방법을 적용한 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 제조방법은, 중량%로 C: 0.2-0.5%, Mn: 0.1-1.2%, Si: 0.5% 이하, Cr: 0.5% 이하, Al: 0.01-0.1%, N: 0.006% 이하, S: 0.012% 이하, B: 0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강 슬라브를 제조하는 단계, 상기 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간압연하여 마무리하고, 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃ 이하의 온도에서 권취하여, 1 %이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트와 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 각각 10% 이하이며, 적어도 베이나이트 상(phase)으로 구성되어, 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조하는 단계, 및 상기 열연강판을 구상화 소둔하는 단계를 포함하며, 상기 구상화 소둔 단계에서 구상화 소둔 조건은 하기 수학식 1을 만족한다.

여기서, SP는 구상화 매개변수이고, -13282는 C와 Fe의 확산에 필요한 활성화 에너지 값과 기체상수 및 자연로그로부터 계산된 상수이며, T는 소둔 온도(절대온도)이며, t는 소둔 시간(hr)을 나타낸다.

상기 열연강판은 마르텐사이트 상을 포함할 수 있다.

상기 구상화 매개변수(SP)는 하기 수학식 2를 만족한다. 즉 구상화 매개변수(SP)는 각 온도에서 구간별 구상화 매개변수(SP1, SP2, ...)를 구한 후, 하기 수학식 2와 같은 방법으로 합산하여 구한다.

상기 신장 플랜지성(λ)은 하기 수학식 3을 만족한다.

여기서 A, B, C는 강종 및 초기 열연조직에 따라 달라지며, 실험에 의하여 결정된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고성형성 미세 구상화 고탄소강은 상기 방법 중 어느 하나의 방법에 의하여 제조된다.

본 발명의 고성형성 미세 구상화 고탄소강 제조방법은, 고탄소강을 소둔로에서 소둔할 때의 소둔 온도(T, 단위: 절대온도(K))와 소둔 시간(t, 단위: 시간(hr))을 조합하여 구상화 매개변수(SP: spheroidization parameter)로 변환하여(수학식 1 및 수학식 2참조), 이 구상화 매개변수(SP)와 신장 플랜지성(λ)과의 관계를 규명하(수학식 3 참조)는 방법을 포함한다.

이를 위하여, 소둔 온도(T)와 소둔 시간(t)으로 조합에 따라 구상화 매개변수(SP)를 계산한다(수학식 1 및 수학식 2 참조). 그 후, 이 구상화 매개변수(SP)를 이용하여, 신장 플랜지성(λ)을 비롯한 성형성과의 관계식을 계산한다(수학식 3 참조). 이때 고탄소강에서 강종 및 초기 열연조직에 따른 구상화 매개변수(SP) 식의 상수를 이용한다. 이 상수는 실험으로 결정된다(하기의 표 1 참조).

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고성형성 구상화 고탄소강판의 제조 방법은, 중량%(이하 본 발명에서 %는 특별한 언급이 없는 한 중량%를 의미한다)로 C: 0.2-0.5%, Mn: 0.1-1.2%, Si: 0.5% 이하, Cr: 0.5% 이하, Al: 0.01-0.1%, N: 0.006% 이하, S: 0.012% 이하, B: 0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어진 강 슬라브를 제조하고, 이 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간압연하여 마무리하고, 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃ 이하의 온도에서 권취 하여, 탄화물이 존재하지 않는(1% 이하의 탄화물이 존재하는) 초석 페라이트의 분율이 10% 이하이며, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 10% 이하이고, 주요 상(phase)이 베이나이트로 구성되거나 혹은 베이나이트와 마르텐사이트로 구성되며, 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조하며, 이 열연강판을 구상화 소둔 처리하여 신장 플랜지성이 우수한 고성형성 미세 구상화 고탄소강판을 제조하며, 이 구상화 소둔 단계에서, 성형성을 최대로 증가시키기 위하여, 필요한 최적 구상화 소둔 조건 및 그 조건을 도출하는 방법을 포함한다.

이하에서는 이 구상화 소둔 조건 및 그 조건을 도출하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 고탄소강판의 구상화 소둔 열처리 과정은 탄소(C)와 철(Fe) 원자의 확산에 의해 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 등으로 구성된 열연조직이 구상화된 세멘타이트와 페라이트로 재배열되는 과정이다. 이 과정에서, 일반 소둔 열처리 과정에서와 마찬가지로 열연조직이 미세 조직 내로 전위 또는 사라지거나, 급격히 감소하게 된다.

펄라이트는 층상의 세멘타이트와 페라이트로 이루어진 조직이고, 베이나이트는 탄화물과 페라이트 상의 복합구조로 볼 수 있으며, 마르텐사이트는 BCC결정구조 내에 탄소(C)가 과포화 된 형태이다. 이러한 조직에 외부에서 열이 가해지면, 확산에 의해 세멘타이트 탄화물이 생성되거나 혹은 판상의 세멘타이트들이 쪼개지면서 구상화된 형태로 바뀌어 가면서, 작은 구상화 탄화물이 큰 구상화 탄화물에 흡수되 는 형태로 성장하게 된다.

고탄소강의 경우, 신장 플랜지성(λ)을 비롯한 성형성을 증가시키기 위하여, 열연조직 전위의 감소는 물론 확산에 의한 재배열을 통해 미세한 구상화 탄화물이 고루 분포되어야 한다.

따라서, 구상화 소둔 과정에서 구상화가 부족하여 구상화율이 낮거나, 혹은 과구상화 되어 구상화된 탄화물의 크기가 필요 이상 조대해지면 신장 플랜지성(λ)을 비롯한 성형성은 저하된다.

이때, 강종 및 열연 초기조직에 따라 탄화물이 구상화되는 속도가 달라지게 되므로, 이에 따른 성형성이 변화되는 정도도 달라지게 된다. 마르텐사이트, 베이나이트 조직에서는 비교적 빨리 구상화가 진행되는 반면, 층간 간격이 큰 조대한 펄라이트 조직일수록 구상화가 늦어지는 경향이 있다.

한편, 구상화 온도가 높을수록 구상화 진행에 필요한 시간이 빨라지므로 온도에 따른 시간 효과를 정량화 하여, 구상화 진행에 따른 성형성을 예측하는데 반영하는 것이 좋다.

본 발명에서는 신장 플랜지성(λ)과 같은 성형성을 예측하여, 최적 구상화 조건을 설정하기 위하여 구상화 매개변수(SP)를 이용한다. 온도에 따른 시간효과를 매개변수로 이용하여 반영하는 방법은 담금질에 의해 마르텐사이트로 변태된 강재를 풀림할 때, 경도를 예측하기 위해 주로 이용되던 방식이다. 이 방법은 확산에 의한 원자의 이동을 반영해 주기 위한 방법이므로 고탄소강재를 구상화 소둔 열처리할 때, 소둔된 고탄소강재의 성형성 예측에 적용될 수 있다.

도1은 구상화 매개변수(SP)를 계산하는 방법을 도시하고 있다.

구상화 소둔시, 온도곡선이 도1의 왼쪽과 같은 경우, 구상화 매개변수(SP)는 이를 구간에 따라 계단식으로 분할하여 각 구간의 구상화 매개변수(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5, SP6, ...)를 수학식 1과 같이 구한 후, 다시 그 값(SP1, SP2, SP3, SP4, SP5, SP6, ...)을 수학식 2에 의하여 합함으로써 계산된다.

상기한 바와 같이 구상화 소둔 초기에는 저온 변태조직으로 인한 미세 조직의 전위가 소멸되고 베이나이트 및 마르텐사이트 내부의 탄소(C) 혹은 탄화물 들이 확산에 의해 구상화된 세멘타이트 탄화물이 생성되면서, 신장 플랜지성(λ)이 증가하게 되고, 작은 구상화 탄화물이 큰 구상화 탄화물에 흡수되는 형태로 성장하여 과구상화가 진행되면서 신장 플랜지성(λ)이 감소함에 따라 계산된 구상화 매개변수(SP)와 신장 플랜지성(λ)과의 관계는 수학식 3에서와 같은 2차 식에 비례하는 경향을 보인다.

상기한 신장 플랜지성(λ)이 우수한 고성형성 미세 구상화 고탄소강판을 제조함에 있어, 성형성을 최대로 증가시키기 위해 필요한 최적 구상화 소둔 조건을 도출하기 위한 상수는 초기 열연조직이 베이나이트인 경우와 마르텐사이트인 경우에 대해 구하면, 표 1과 같다.

초기 열연조직과 구상화 매개변수 수학식의 상수

초기 열연조직	구상화 매개변수 수학식의 상수
	A	B	C
베이나이트	-19.47	-494.51	-3077.3
마르텐사이트	-46.97	-1190.7	-7474.5

이와 같이 본 발명의 제조 방법에 의해 소둔로의 측온 및 열전달 해석을 통하여 소둔 코일에 가해지는 열을 계산하면, 상기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3 및 표 1을 통하여 신장 플랜지성(λ)이 우수한 고성형성 미세 구상화 고탄소강의 구상화 소둔시 최적의 성형성을 얻기 위한 소둔 조건을 도출해 낼 수 있다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

상기와 같은 조성범위를 가지며, 담금질성과 성형성이 우수한 고탄소강을 용해, 출강하여 강 슬라브로 주조한다. 이 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간압연하여 마무리하고, 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃ 이하의 온도에서 권취하여, 탄화물이 존재하지 않는(1%의 탄화물이 존재하는) 초석 페라이트의 분율이 10% 이하이고, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 10% 이하이며, 주요 상(phase)이 베이나이트로 구성되거나 혹은 베이나이트와 마르텐사이트로 구성됨에 의하여 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조한다. 이 열연강판은 산세 후 소둔로에서 구상화 소둔 과정을 거치게 된다. 이 구상화 소둔 시 일어나는 조직의 변화는 소둔 온도와 소둔 시간, 그리고 초기 열연조직의 상태에 따라 변하게 된다.

도2는 본 발명에 따른 소재의 구상화 매개변수(SP)와 신장 플랜지성(λ)과의 관계를 나타낸 그래프이다.

상기한 바와 같이 초기에는 저온 변태조직으로 인한 미세 조직의 전위가 소멸되고 베이나이트 및 마르텐사이트 내부의 탄소(C) 혹은 탄화물들이 확산에 의해 구상화된 세멘타이트 탄화물이 생성되면서, 신장 플랜지성(λ)이 증가하게 된다. 이어서 작은 구상화 탄화물이 큰 구상화 탄화물에 흡수되는 형태로 성장하여 과구상화가 진행되면서 신장 플랜지성(λ)이 다시 감소함에 따라 계산된 구상화 매개변수(SP)는 2차 식에 비례한다. 이때 수학식 3의 상수 A, B, C의 값은 상기한 바와 같이 표 1과 같다.

도3은 실제 소둔로에서 코일을 소둔할 때 코일 각부에 전달되는 열의 분포에 대한 최냉점(P10) 및 최열점(P20)과 각 점에서 열 이력을 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 최종 구상화 매개변수(SP10, SP20)를 구할 수 있다.

이 도면을 참조하면, 열연코일(coil)을 소둔할 소둔로에 대한 측온 결과와, 유한요소해석 결과에서 가열할 때와 냉각할 때에 열연코일(coil)의 내부 및 최외각부에 전달되는 온도를 계산하여, 이 측온 결과와 계산된 온도로부터 가열과 냉각시 열연코일(coil)의 각 부위별 구상화 매개변수(SP)의 값을 계산한다.

상기 열연코일(coil)의 경우, 주요 상(phase)이 베이나이트로 구성되어 있으므로 도2 및 표1을 참고하면, 예를 들어, 신장 플랜지성(λ)을 60% 이상 확보하기 위하여, 구상화 매개변수(SP)의 값이 -13에서 -12.4까지 되도록 소둔 열처리할 필요가 있다.

구상화 매개변수(SP)의 상기 값에서 가열시 및 냉각시 구간 별로 계산된 구상화 매개변수(SP)의 값에 대한 합을 수학식 1 및 도1과 같이 계산하여 뺀 후, 다시 수학식 1에 의해 700℃로 유지된 소둔로에서 구상화 소둔 열처리를 실시할 경우, 신장 플랜지성(λ)을 확보하기 위해 필요한 소둔 시간을 계산하면, 최외각부는 대략 12-15시간, 내부는 14-18시간 동안 소둔되도록 설정해야 함을 알 수 있다.

따라서, 이 경우 14-15시간 동안 소둔한다면 열연코일(coil)의 내부(최냉점)와 최외각부(최열점) 모두 신장 플랜지성(λ) 60% 이상을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

소둔시 열연코일(coil) 내외부에서 온도 분포의 차이가 나지 않는 경우는, 최적 구상화 매개변수(SP) 값으로부터 최적 구상화 소둔 조건을 더욱 쉽게 도출할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고성형성 미세 구상화 고탄소강판을 제조함에 있어, 성형성을 최대로 증가시키기 위해 필요한 최적 구상화 소둔 조건을 소둔로의 측온 결과와 컴퓨터 시뮬레이션으로 도출할 수 있기 때문에, 신장 플랜지성이 우수한 고성형성 미세 구상화 고탄소강판의 효과를 최대화할 수 있고, 개별 소둔로의 특성에 따른 소둔 조건을 설정하는데 소요되는 비용을 절감하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 새로운 고탄소 강종 및 열연조직을 구상화하는 경우에도, 가열 및 냉각 이력이 성형성에 미치는 영향을 파악할 수 있기 때문에, 실험실 노에서 적은 횟수의 소둔 열처리 및 성형 시험만으로 현장의 상소둔로(Batch Annealing Furnace)에 대한 최적의 조건을 설정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 중량%로 C: 0.2-0.5%, Mn: 0.1-1.2%, Si: 0.5% 이하, Cr: 0.5% 이하, Al: 0.01-0.1%, N: 0.006% 이하, S: 0.012% 이하, B: 0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강 슬라브를 제조하는 단계,

   상기 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간압연하여 마무리하고, 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃ 이하의 온도에서 권취하여, 1 %이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트와 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 각각 10% 이하이며, 베이나이트 상(phase)의 분율이 80% 이상으로 구성되어, 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조하는 단계, 및

   상기 열연강판을 소정의 온도를 유지하는 소둔로에서 소정 시간 동안 구상화 소둔하는 단계를 포함하며,

   상기 구상화 소둔 단계에서 구상화 소둔 조건은 하기 수학식을 만족하고,

   구상화 매개변수는 -13 내지 -12.4 범위를 포함하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 제조 방법.

   

   여기서, SP는 구상화 매개변수이며, -13282는 C와 Fe의 확산에 필요한 활성화 에너지 값과 기체상수 및 자연로그로부터 계산된 상수이고, T는 소둔 온도(절대온도)이며, t는 소둔 시간(h)을 나타낸다.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 베이나이트 상의 분율 80% 이상 범위는 마르텐사이트 상의 분율을 포함하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 제조 방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 구상화 매개변수(SP)는 하기 수학식을 만족하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 제조 방법.

   
4. 제3 항에 있어서,

   상기 구상화 매개변수(SP)는 신장 플랜지성(λ)을 포함하는 하기 수학식을 만족하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판 제조 방법.

   

   여기서 A, B, C는 강종 및 초기 열연조직에 따라 달라지며, 실험에 의하여 결정된다.
5. 중량%로 C: 0.2-0.5%, Mn: 0.1-1.2%, Si: 0.5% 이하, Cr: 0.5% 이하, Al: 0.01-0.1%, N: 0.006% 이하, S: 0.012% 이하, B: 0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지고,

   1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트와 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 각각 10% 이하이며, 베이나이트 상(phase)의 분율이 80% 이상으로 구성되어, 비커스 경도 값이 230 이상을 가지며,

   하기의 수학식을 만족하고,

   구상화 매개변수는 -13 내지 -12.4 범위를 포함하는 조건으로 구상화 소둔 처리된 고성형성 미세 구상화 고탄소강판.

   

   여기서, SP는 구상화 매개변수이며, -13282는 C와 Fe의 확산에 필요한 활성화 에너지 값과 기체상수 및 자연로그로부터 계산된 상수이고, T는 소둔 온도(절대온도)이며, t는 소둔 시간(h)을 나타낸다.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 베이나이트 상(phase) 분율 80% 이상 범위는 마르텐사이트 상의 분율을 포함하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 구상화 매개변수(SP)는 하기 수학식을 만족하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판.

   
8. 제7 항에 있어서,

   상기 구상화 매개변수(SP)는 신장 플랜지성(λ)을 포함하는 하기 수학식을 만족하는 고성형성 미세 구상화 고탄소강판.

   

   여기서 A, B, C는 강종 및 초기 열연조직에 따라 달라지며, 실험에 의하여 결정된다.

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