TWI745174B - 用於輕金屬成形的前處理方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種用於輕金屬成形的前處理方法，其包含：提供一輕金屬板料，該輕金屬板料的厚度為1~4mm；使一潤滑液升溫至不小於100℃的一預熱溫度，該潤滑液包含一基底油及一潤滑添加劑；及將該輕金屬板料浸潤於升溫至該預熱溫度的潤滑液中，使該輕金屬板料升溫至一預定溫度，該預定溫度與該預熱溫度的差值為±10℃之內。本發明另關於用以實施前述前處理方法的裝置。

Description

用於輕金屬成形的前處理方法及裝置
本發明係關於一種輕金屬的處理方法，尤其是一種用於輕金屬成形的前處理方法。本發明另關於用以實施前述前處理方法的裝置。
為了降低燃油車的二氧化碳排放量及提升電動車的效能，近年來車體結構的輕量化為汽車產業的發展趨勢。相較於鋼材，採用鋁合金等輕金屬來製造汽車車身，不僅可以大幅減輕重量，更具有耐腐蝕及可循環回收的優勢，因此各汽車大廠均推出部分或全部採用輕金屬的汽車車身。
一般而言，在使輕金屬板料成形為一預定形狀之前，會先進行如第1圖所示的習知用於輕金屬成形的前處理方法，其包含一材料提供步驟S91、一潤滑步驟S92及一加熱步驟S93。在該材料提供步驟S91中，係提供欲成形為該預定形狀的一輕金屬板料；在該潤滑步驟S92中，係藉由噴塗或塗佈等方式，使一潤滑液附著於該輕金屬板料上；及在該加熱步驟S93中，將表面附著有該潤滑液的輕金屬板料升溫至一預定溫度，後續即能夠藉由沖壓使升溫至該預定溫度的輕金屬板料成形為具有該預定形狀的一輕金屬工件。
然而，習知用於輕金屬成形的前處理方法的潤滑步驟S92多以自動噴塗設備進行，容易產生噴塗不均及潤滑液浪費等問題，而該加熱步驟 S93則係以電熱元件對該輕金屬板料進行輻射加熱，受限於該輕金屬板料的輻射熱吸收率不佳(如鋁合金板料的輻射熱吸收率僅為鋼質板料的1/3~1/4)，使該輕金屬板料僅能夠以較小的升溫速率升溫至該預定溫度，不僅拉長該前處理方法的耗時，在後續成形為具有該預定形狀的輕金屬工件時，該輕金屬工件的機械性質亦會大幅下降。
有鑑於此，習知用於輕金屬成形的前處理方法仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種用於輕金屬成形的前處理方法，係可以一次性地使一輕金屬板材附著有一潤滑液，及將該輕金屬板材升溫至一預定溫度者。
本發明的次一目的是提供一種用於輕金屬成形的前處理方法，係可以提升經成形所形成的一輕金屬工件的機械性質者。
本發明的又一目的是提供一種用於輕金屬成形的前處理裝置，係用以實施前述的前處理方法者。
本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明全文所述「結合」、「組合」或「組裝」等近似用語，主要包含連接後仍可不破壞構件地分離，或是連接後使構件不可分離等型態，係本領域中具有通常知識者可以依據欲相連之構件材質或組裝需求予以選擇者。
本發明的用於輕金屬成形的前處理方法，可以包含：提供一輕金屬板料，該輕金屬板料的厚度為1~4mm；使一潤滑液升溫至不小於100℃的一預熱溫度，該潤滑液包含一基底油及一潤滑添加劑；及將一輕金屬板料浸潤於升溫至該預熱溫度的潤滑液中，使該輕金屬板料升溫至一預定溫度，該預定溫度與該預熱溫度的差值為±10℃之內。
據此，本發明的用於輕金屬成形的前處理方法，藉由使該輕金屬板料浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液中，不僅可以在使該輕金屬板材附著有該潤滑液的同時，使該輕金屬板材升溫至該預定溫度，達成縮短時程的功效；再且，藉由使該輕金屬板料浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液中，可以提升升溫至該預定溫度的升溫速率，在後續成形為具有一預定形狀的一輕金屬工件時，該輕金屬工件可以具有較佳的機械性質(如較大的抗拉強度)，為本發明之功效。
本發明的用於輕金屬成形的前處理方法中，該潤滑添加劑可以為一固體潤滑劑；如此，該固體潤滑劑可以均勻分散於該基底油中，且不致受到該預熱溫度的高溫而發生變質或熱裂解。
本發明的用於輕金屬成形的前處理方法中，該基底油可以為礦物油或動物油；如此使該基底油不致受到該預熱溫度的高溫而潤滑失效、發生氧化、變質或產生有害成分(例如具有毒性的醛類等)。
本發明的用於輕金屬成形的前處理方法中，該預熱溫度可以介於100~300℃之間；如此，在將該輕金屬板料自該潤滑液中取出後，能夠使 該輕金屬板料成形為具有該預定形狀的輕金屬工件。
本發明的用於輕金屬成形的前處理方法中，該輕金屬板料可以為由鋁合金或鎂合金所製成。
基於相同的技術概念下，本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置，可以包含：一本體，內部具有一腔室，該本體具有一開口連通該腔室及外部空間；一加熱槽，位於該腔室中，該加熱槽具有一容室用以容置一潤滑液；一板料輸送組件，具有一第一驅動件及數個第一牙，該數個第一牙呈水平間隔排列，各該第一牙的一端結合該第一驅動件，該數個第一牙經由該開口水平進出該腔室；及一板料升降組件，位於該本體的腔室中，該板料升降組件具有一第二驅動件及數個第二牙，該數個第二牙呈水平間隔排列，各該第二牙的一端結合該第二驅動件，該第二驅動件用以使該數個第二牙同步上升以使一輕金屬板料離開該潤滑液，或用以使該數個第二牙同步下降以使該輕金屬板料浸潤於該潤滑液中；其中，該輕金屬板料從該數個第一牙的上方移轉至該數個第二牙的上方時或從該數個第二牙的上方移轉至該數個第一牙的上方時，該數個第一牙與該數個第二牙為交錯排列。
據此，本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置，係可以用於實施如前所述的前處理方法，且藉由單一個裝置即可以在使該輕金屬板材附著有該潤滑液的同時，使該輕金屬板材升溫至該預定溫度，毋須架設額外的噴塗裝置，可以達成減少廠房的空間及降低設備的成本等功效。
本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置，可以另包含一隔熱件包覆該加熱槽的一外壁；如此，可以藉由該隔熱件防止熱能的散失。
本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置，可以另包含一隔熱件包覆該本體的一內壁或一外壁；如此，可以藉由該隔熱件防止熱能的散失。
本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置中，該加熱槽可以具有 一加熱管蜿蜒地設於容室的底部；如此，使靠近該容室的底部的潤滑液可以快速升溫，並藉由該潤滑液與該輕金屬板料的熱接觸作用，使該潤滑液將熱能傳遞給該輕金屬板料，進而可以有效提升該輕金屬板料的升溫速率。
〔本發明〕
1:本體
11:封閉件
12:第一隔熱件
2:加熱槽
21:加熱管
22:第二隔熱件
3:板料輸送組件
31:第一驅動件
32:第一牙
321:自由端
4:板料升降組件
41:第二驅動件
42:第二牙
421:自由端
C1:腔室
C2:容室
L:潤滑液
O:開口
P:輕金屬板料
S1:材料提供步驟
S2:潤滑加熱步驟
〔習用〕
S91:材料提供步驟
S92:潤滑步驟
S93:加熱步驟
〔第1圖〕習知用於輕金屬成形的前處理方法的流程圖。
〔第2圖〕本發明之一實施例的用於輕金屬成形的前處理方法的流程圖。
〔第3圖〕本發明之一實施例的用於輕金屬成形的前處理裝置的立體分解圖。
〔第4圖〕第3圖的輕金屬成形的前處理裝置的使用狀態示意圖(一)。
〔第5圖〕第3圖的輕金屬成形的前處理裝置的使用狀態示意圖(二)。
〔第6圖〕第3圖的輕金屬成形的前處理裝置的使用狀態示意圖(三)。
〔第7圖〕第3圖的輕金屬成形的前處理裝置的使用狀態示意圖(四)。
〔第8圖〕第3圖的輕金屬成形的前處理裝置的使用狀態示意圖(五)。
〔第9圖〕試驗(A)中，各組輕金屬板料的升溫曲線圖。
〔第10圖〕試驗(B)中，各組輕金屬工件的抗拉強度柱狀圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明所述之「輕金屬」係指常溫下具備質輕、高強度、特殊功能性及地球蘊藏豐富合金元素等特性之金屬材料，其比重約低於5g/cm3，可以包含鋁合金(比重約為2.7g/cm3)、鎂合金(比重約為1.8g/cm3)及鈦 合金(比重約為4.5g/cm3)等，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，於此不加以贅述。基於本發明的預定溫度下具有較佳的成形性考量下，輕金屬中又以鋁合金及鎂合金為佳。
請參照第2圖所示，本發明的一實施例的用於輕金屬成形的前處理方法，可以包含一材料提供步驟S1及一潤滑加熱步驟S2，藉此可以獲得附著有一潤滑液，且升溫至一預定溫度的一輕金屬板料，該輕金屬板料可以續成形為具有一預定形狀的一輕金屬工件。
在一實施例中，該材料提供步驟S1中，該輕金屬板料可以為由例如鋁合金或鎂合金所製成。舉例而言，當該輕金屬板料由鋁合金所製成時，可以選擇由2XXX系列、5XXX系列、6XXX系列或7XXX系列等運輸產業廣泛使用之高強度鋁合金所製成；在該輕金屬板料係由5XXX系列鋁合金所製成時，該輕金屬板料較佳可以為經加工硬化者；而在該輕金屬板料係由2XXX系列鋁合金、6XXX系列鋁合金或7XXX系列鋁合金所製成時，該輕金屬板料較佳可以為經加工硬化或經熱處理的析出強化型輕金屬板料。又，該輕金屬板料的厚度可以為目前運輸產業板材沖壓成形廣泛使用的1~4mm。在另一實施例中，輕金屬板料為鎂合金所製成，適合的鎂合金種類例如為AZ31或AZ91。
該潤滑加熱步驟S2中，係可以提供該潤滑液，該潤滑液可以包含一基底油(base oil)及一潤滑添加劑。該基底油具有耐高溫的特性，例如可以為礦物油或動物油等不會受到該預熱溫度的高溫而潤滑失效、發生氧化、變質或產生有害成分(例如具有毒性的醛類等)的基底油。又，該潤滑添加劑也具有耐高溫的特性，可以被均勻分散於該基底油中，且在預熱溫度下不會發生變質或熱裂解。在一實施例中，該潤滑添加劑可以為在該預熱溫度下仍為固體的一固體潤滑劑(solid lubricant)，舉例而言，可以為石墨、氮 化硼、二硫化鉬或二硫化鎢等固體潤滑劑。
接著，工者可以使該潤滑液升溫至該預熱溫度，續將該輕金屬板料浸潤於升溫至該預熱溫度的潤滑液中，使該輕金屬板料受該潤滑液的對流傳導而升溫至該預定溫度。舉例而言，該預熱溫度可以不小於100℃，例如可以介於100~300℃之間，且該預定溫度與該預熱溫度的差值為±10℃之內。
接著，工者在自該潤滑液中取出升溫至該預定溫度的輕金屬板料之後，即能夠以一脫脂洗滌劑進行清洗後，使該輕金屬板料成形為該輕金屬工件。
為便於工者實施前述的前處理方法，請參照第3~4圖所示，本發明另提供一種用於輕金屬成形的前處理裝置，其可以包含：一本體1、一加熱槽2、一板料輸送組件3及一板料升降組件4，該本體1的內部具有一腔室C1，該加熱槽2位於該本體1的內部，並藉由該板料輸送組件3及該板料升降組件4的作動，使該輕金屬板料P輸送進入該本體1的內部，並可以浸潤於該潤滑液L中。
該本體1的內部具有一腔室C1，一開口O連通該腔室C1及外部空間，該本體1可以具有一封閉件11用於封閉該開口O，因而當該輕金屬板料P輸送進入該腔室C1時，工者即能夠以該封閉件11封閉該開口O，以減少熱能的散失。再且，該本體1還可以具有一第一隔熱件12包覆其內壁或外壁，可以提升減少熱能的散失的效果。
該加熱槽2位於該腔室C1中，該加熱槽2可以具有一容室C2用以容置該潤滑液L，以將該潤滑液L加熱至該預定溫度。於本實施例中，該加熱槽2可以具有一加熱管21蜿蜒地設於容室C2的底部，進而使靠近該容室C2的底部的潤滑液L可以快速升溫，並藉由該潤滑液L與該輕金屬板料P的熱接觸作用，使該潤滑液L將熱能傳遞給該輕金屬板料P，進而可以 有效提升該輕金屬板料P的升溫速率。此外，該加熱槽2亦可以包含一第二隔熱件22可以包覆其外壁，以減少熱能的散失。於本實施例中，該前處理裝置同時具有包覆該本體1的內壁的第一隔熱件12及包覆該加熱槽2的外壁的第二隔熱件22。
該板料輸送組件3可以具有一第一驅動件31及數個第一牙32，該數個第一牙32可以為呈水平間隔排列的數個桿，各該第一牙32的一端結合該第一驅動件，另一端形成一自由端321，該數個第一牙32的自由端321可以朝向該本體1的開口O，且可以受該第一驅動件31的驅動而經由該開口O水平地進出該腔室C1。
該板料升降組件4係位於該本體1的腔室C1中，該板料伸降組件4可以具有一第二驅動件41及數個第二牙42，該數個第二牙42可以為呈水平間隔排列的數個桿，各該第二牙42的一端結合該第二驅動件41，另一端形成一自由端421，該數個第二牙42的自由端421可以朝向該本體1的開口O，且可以受該第二驅動件41的驅動而同步地升降以浸潤於該潤滑液L中或離開該潤滑液L。
值得注意的是，當該數個第一牙32的自由端321位於該開口O外時，該數個第一牙32的自由端321及該數個第二牙42的自由端421相向，使該數個第一牙32的自由端321進入該腔室C1時，該數個第一牙32與該數個第二牙42可以為交錯排列。
第4~8圖是該輕金屬板料P自外部空間輸送進行該腔室C1，直至完成加熱及表面附著潤滑劑之成形前處理後，並輸送至外部空間的各步驟示意圖。詳而言之，請參照第4圖所示，本實施例的用於輕金屬成形的前處理裝置在使用時，工者可以先於該加熱槽2的容室C2中裝填該潤滑液L，以該封閉件11封閉該開口O之後，藉由該加熱管21使該潤滑液L升溫至該 預熱溫度。
接著，工者可以將該輕金屬板料P置於該數個第一牙32的上方，使該數個第一牙32的自由端321朝向該開口O，接著如第5圖所示，開啟該封閉件11，使該數個第一牙32的自由端321可以受該第一驅動件31的驅動而經由該開口O水平地進入該腔室C1，使該數個第一牙32形成的平面位於該數個第二牙42形成的平面的上方。
續如第6圖所示，由於該數個第一牙32與該數個第二牙42為交錯排列，工者接著可以藉由該第一驅動件31驅使該數個第一牙32同步地下降，使該數個第一牙32形成的平面位於該數個第二牙42形成的平面的下方，此時原本置於該數個第一牙32的上方的輕金屬板料P即可以離開該數個第一牙32，改置於該數個第二牙42的上方。工者即可以再以該第一驅動件31驅使該數個第一牙32的自由端321平行地自該開口O離開該腔室S1。
再如第7圖所示，在該數個第一牙32的自由端321離開該腔室S1之後，工者可以再次封閉該開口O，及藉由該第二驅動件41的驅動，使該數個第二牙42同步地下降，使位於該數個第二牙42的上方的輕金屬板料P可以浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液L中，使該潤滑液L得以附著於該輕金屬板料P上，並同時藉由該潤滑液L的熱對流作用而將熱能傳遞給該輕金屬板料P，使該輕金屬板料P可以升溫至該預定溫度。
另如第8圖所示，在該輕金屬板料P升溫至該預定溫度之後，工者能夠藉由該第二驅動件41使該數個第二牙42同步地上升而離開該潤滑液L，並開啟該封閉件11，使該數個第一牙32的自由端321經由該開口O伸入該腔室C1，此時可以如第8圖所示，使該數個第一牙32所形成的平面低於該數個第二牙42所形成的平面，續使該數個第一牙32同步地上升，以使原本置於該數個第二牙42的上方的輕金屬板料B，改置於該數個第一牙32 的上方，接著再使該數個第一牙32的自由端321平行地自該開口O離開該腔室S1，即可以完成該前處理方法。
此外，於另一實施例中，可以先使該數個第二牙42浸潤於該潤滑液L中，接著在該數個第一牙32的自由端321經由該開口O進入該腔室C1中之後，使該數個第一牙32同步地下降，以使置於該數個第一牙32的上方的輕金屬板料P浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液L中，並於該潤滑液L中，使該數個第一牙32形成的平面位於該數個第二牙42形成的平面的下方，原本置於該數個第一牙32的上方的輕金屬板料P可以改置於該數個第二牙42的上方；待該輕金屬板料P升溫至該預定溫度之後，該數個第二牙42可以同步地下降，以使升溫至該預定溫度的輕金屬板料P再改置回該數個第一牙32的上方，最終再經由該開口O離開該腔室S1，以完成該前處理方法(圖未示)，如此可以使該輕金屬板料P的所有表面均附著有該潤滑油L。
而在該輕金屬板料B離開該腔室S1之後，工者亦能夠以該脫脂洗滌劑清洗該輕金屬板料B，再使該輕金屬板料成形為該輕金屬工件。
此外，為證實本發明之用於輕金屬成形的前處理方法確實有助於提升輕金屬板料升溫至該預定溫度的升溫速率，且後續成形的輕金屬工件可以具有較佳的機械性質，遂進行以下試驗：
(A)升溫速率的提升
本試驗係取由7075-T6鋁合金所製成的輕金屬板料(厚度為2mm)進行試驗，以升溫至190℃的潤滑液(包含礦物油及石墨)使該輕金屬板料同樣升溫至190℃，測定該輕金屬板料的升溫速率(第A1組)。
本試驗另以相同的輕金屬板料進行試驗，先對該輕金屬板料表面噴塗該潤滑液之後，續對該輕金屬板料進行輻射加熱，以使該輕金屬板料升溫至190℃，測定該輕金屬板料的升溫速率(第A2組)。
請參照第9圖所示，第A1組的輕金屬板料在200秒內即已升溫至190℃，第A2組的輕金屬板料至2000秒時仍未升溫至190℃，顯示相較於習知用於輕金屬成形的前處理方法，本發明之用於輕金屬成形的前處理方法確實有助於提升輕金屬板料升溫至該預定溫度的升溫速率。
(B)機械性質的提升
接著，使第A1、A2組的輕金屬板料分別成形為第B1、B2組的輕金屬工件後，測定第B1、B2組的輕金屬工件的抗拉強度。本試驗另以未經處理的輕金屬板料直接成形所得的輕金屬工件作為第B0組的輕金屬工件。
請參照第10圖所示，未經處理的輕金屬板料所成形的第B0組輕金屬工件的抗拉強度約為570MPa，經本發明之用於輕金屬成形的前處理方法進行前處理的第B1組輕金屬工件的抗拉強度約為550MPa，略低於第B0組的輕金屬工件，而以習知用於輕金屬成形的前處理方法進行前處理的第B2組輕金屬工件的抗拉強度約為440MPa，已明顯低於第B0組的輕金屬工件，顯示相較於習知用於輕金屬成形的前處理方法，本發明之用於輕金屬成形的前處理方法確實有助於提升所成形的輕金屬工件的機械性質(維持在未經該前處理的輕金屬板料的強度的85%以上)。
綜上所述，本發明的用於輕金屬成形的前處理方法，藉由使該輕金屬板料浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液中，不僅可以在使該輕金屬板材附著有該潤滑液的同時，使該輕金屬板材升溫至該預定溫度，達成縮短時程的功效；再且，藉由使該輕金屬板料浸潤於已升溫至該預熱溫度的潤滑液中，可以提升升溫至該預定溫度的升溫速率，在後續成形為具有一預定形狀的一輕金屬工件時，該輕金屬工件可以具有較佳的機械性質(如較大的抗拉強度)，為本發明之功效。
再且，本發明的用於輕金屬成形的前處理裝置，係可以用於實 施如前所述的前處理方法，且藉由單一個裝置即可以在使該輕金屬板材附著有該潤滑液的同時，使該輕金屬板材升溫至該預定溫度，毋須架設額外的噴塗裝置，可以達成減少廠房的空間及降低設備的成本等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S1:材料提供步驟
S2:潤滑加熱步驟

Claims (9)

  1. 一種用於輕金屬成形的前處理方法，包含：提供一輕金屬板料，該輕金屬板料的厚度為1~4mm；使一潤滑液升溫至不小於100℃的一預熱溫度，該潤滑液包含一基底油及一潤滑添加劑；及將該輕金屬板料浸潤於升溫至該預熱溫度的潤滑液中，使該輕金屬板料升溫至一預定溫度，該預定溫度與該預熱溫度的差值為±10℃之內。
  2. 如請求項1之用於輕金屬成形的前處理方法，其中，該潤滑添加劑為一固體潤滑劑。
  3. 如請求項1之用於輕金屬成形的前處理方法，其中，該基底油為礦物油或動物油。
  4. 如請求項1之用於輕金屬成形的前處理方法，其中，該預熱溫度介於100~300℃之間。
  5. 如請求項1之用於輕金屬成形的前處理方法，其中，該輕金屬板料為由鋁合金或鎂合金所製成。
  6. 一種用於輕金屬成形的前處理裝置，包含：一本體，內部具有一腔室，該本體具有一開口連通該腔室及外部空間；一加熱槽，位於該腔室中，該加熱槽具有一容室用以容置一潤滑液；一板料輸送組件，具有一第一驅動件及數個第一牙，該數個第一牙呈水平間隔排列，各該第一牙的一端結合該第一驅動件，該數個第一牙經由該開口進出該腔室；及一板料升降組件，位於該本體的腔室中，該板料升降組件具有一第二驅動件及數個第二牙，該數個第二牙呈水平間隔排列，各該第二牙的一端結合該第二驅動件，該第二驅動件用以使該數個第二牙同步上升以使一輕金屬板料 離開該潤滑液，或用以使該數個第二牙同步下降以使該輕金屬板料浸潤於該潤滑液中；其中，該輕金屬板料從該數個第一牙的上方移轉至該數個第二牙的上方時或從該數個第二牙的上方移轉至該數個第一牙的上方時，該數個第一牙與該數個第二牙為交錯排列。
  7. 如請求項6之用於輕金屬成形的前處理裝置，另包含一隔熱件包覆該加熱槽的一外壁。
  8. 如請求項6之用於輕金屬成形的前處理裝置，另包含一隔熱件包覆該本體的一內壁或一外壁。
  9. 如請求項6之用於輕金屬成形的前處理裝置，其中，該加熱槽具有一加熱管蜿蜒地設於容室的底部。
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