Na etapa pretendeu-se testar à escala industrial a redução do tempo de revenido, tendo como base os resultados laboratoriais obtidos na etapa 3. No entanto, nestes ensaios industriais foram testados tempos de revenido superiores aos utilizados à escala laboratorial porque os fornos industriais disponíveis permitiam um ciclo de revenido com duração mínima de 45 min e porque na etapa 3 verificou-se que, para peças do aço 35B2 com 10 mm de diâmetro, o revenido de apenas 30 min conduzia a uma dureza final excessiva. Outro parâmetro diferente relativamente aos testes realizados na etapa 3 foi a carga do forno durante o processo de revenido. Com efeito, enquanto que nos testes laboratoriais foi utilizada uma carga de material no forno de 0,5 kg, nos testes industriais foram testadas cargas diferentes.
Assim, foram definidos 2 tipos de condições para os testes industriais, nomeadamente (tabela 36):
a) Redução do tempo de revenido, mantendo-se a carga de material no forno definida pela empresa antes do início deste trabalho (1400 kg/h para o forno BBI0650 e 800 kg/h para o forno BBI 0615);
Resultados e discussão
51
b) Redução do tempo de revenido em simultâneo com o aumento de carga do de material no forno, através do aumento da velocidade do tapete de transporte das peças.
Para o efeito, recolheram-se três peças após o revenido a cada dez minutos, que foram caracterizadas em termos de durezas HRC e HV10, de resistência à tração e de microestrutura após revenido. A dimensão da amostragem está relacionada com o tamanho do lote testado (dependente da disponibilidade da empresa).
Tabela 36 – Parâmetros utilizados nos testes industriais com redução do tempo de revenido. A temperatura de austenitização em todos os testes foi de 880 ºC.
Teste Forno Aço Diâmetro (mm) Austeni- tização Revenido Tempo (min) Temperatura (ºC) Tempo (min) Carga (kg/h) 0 0650 19MnB4 8 60 460 47(*) 1400 1 0650 19MnB4 8 37 460 60 1400 2 0615 20MnB4 12 45 470 60 1000 3 0615 35B2 6 45 430 60 1000 4 0615 35B2 10 45 440 60 1000 5 0615 19MnB4 5 45 460 60 1000 6 0650 19MnB4 5 45 470 75 1750
(*) Tempo mínimo permitido pelo equipamento.
Teste 0
Neste caso, foram utilizados os seguintes parâmetros: • Aço: 19MnB4 • Diâmetro (mm): 8 • Forno: BBI 0650 • Classe pretendida: 8.8 • Dureza pretendida: 22-32 HRC, 250-320 HV10 • Temperatura de revenido: 460 ºC • Carga: 1400 kg/h
• Alterações efetuadas: redução do tempo de revenido de 100 min para 47 min
Este primeiro teste teve como objetivo principal verificar a resposta do forno no seu limite (velocidade máxima do tapete de revenido, o que corresponde a 47 min de revenido), sem, no entanto, aumentar a carga inicial. Por limitações relacionadas com o processo produtivo, não foi possível efetuar o teste à temperatura pretendida, pois para o aço e diâmetro utilizados, a temperatura deveria ser 470 ºC em vez dos 460 ºC utilizados (ver tabela 18). Por esta razão, na análise de resultados obtidos neste teste será considerado, com base na experiência, que esta diminuição da temperatura de revenido origina um aumento de 1 unidade de dureza HRC e 10 unidades de dureza HV10.
Resultados e discussão
52
A partir dos valores de dureza HRC e HV10 obtidos neste teste (figuras 42 e 43) é possível verificar que, para a temperatura efetiva de revenido (460 ºC), existem valores superiores ao máximo permitido. Este excesso de dureza após revenido pode também ser confirmado pela comparação dos valores médios da tabela 37. Com efeito, mesmo considerando o efeito da utilização de uma temperatura de revenido inferior á pretendida (460 ºC, em vez de 470 ºC), as durezas médias HRC e HV10 das peças após revenido seriam superiores às obtidas com as condições iniciais. Por esta razão, foi realizado um novo teste (teste 1) com um tempo de revenido um superior (60 min) ao utilizado neste teste (45 min), mas ainda assim inferior ao inicial (100 min).
Figura 42 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 0 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 43 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 0 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
53
Tabela 37 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 0 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. padrão Desvio
HRC 30 33 31,5 1,08 26 29 27,5 1,06
HV10 305,4 332,8 316,4 9,61 285,2 313,0 300,4 6,17
Teste 1
Este teste foi realizado com os seguintes parâmetros: • Aço: 19MnB4 • Diâmetro (mm): 8 • Forno: BBI 0650 • Classe pretendida: 8.8 • Dureza pretendida: 22-32 HRC, 250-320 HV10 • Temperatura de revenido: 460 ºC • Carga: 1400 kg/h
• Alterações efetuadas: redução do tempo de revenido de 100 min para 60 min
As figuras 44 e 45 apresentam os resultados das durezas HRC e HV10 obtidos neste teste e mostram que todos valores se encontram dentro dos limites especificados para a classe das peças estudadas (classe 8.8), embora os valores médios sejam ainda um pouco superiores aos iniciais (tabela 38). Relativamente aos resultados do teste anterior (teste 0), o aumento do tempo de revenido de 45 min para 60 min, traduziu-se numa diminuição ligeira dos valores médios e da dispersão destes, como se pode ver na tabela 39.
Resultados e discussão
54
Figura 44 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 1 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 45 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 1 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Tabela 38 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 1 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. Desvio padrão HRC 30 32 31,0 0,82 26 29 27,5 1,06 HV10 307,6 320,0 312,6 3,64 285,2 313,0 300,4 6,17
Resultados e discussão
55
Tabela 39 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos nos teste 0 (45 min de revenido) e no teste 1 (60 min de revenido) dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Tempo (min) HRC (médio) Desvio padrão HV10 (médio) Desvio padrão
47 31,5 1,08 316,4 9,61
60 31,0 0,82 312,6 3,64
Teste 2
Este teste foi realizado segundo os seguintes parâmetros: • Aço: 20MnB4
• Diâmetro (mm): 12 • Forno: BBI 0615 • Classe pretendida: 8.8
• Dureza pretendida: 22-32 HRC, 250-320 HV10 • Resistência à tração (MPa): superior a 800 • Temperatura de revenido: 470 ºC
• Alterações efetuadas: - redução do tempo de revenido de 100 para 60 minutos e aumento da carga no forno de 800 kg/h para 1000 kg/h
Neste teste foi imposto um aumento de 25% da carga de material no forno de revenido. Apesar desta alteração, todos os valores de dureza e de resistência à tração estão dentro da gama pretendida (figuras 46, 47 e 48). Relativamente aos valores médios na tabela 40, estes confirmam que a diminuição do tempo de revenido se traduz num aumento da dureza das peças (tabela 39). Adicionalmente, observou-se nos ensaios de tração uniaxial realizados que a integridade da secção entre a cabeça e o corpo do parafuso não foi comprometida (figura 49).
Figura 46 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 2 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
56
Figura 47 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 2 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 48 – Valores de resistência à tração após revenido obtidos no teste 2 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Tabela 40 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 2 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. padrão Desvio
HRC 28 32 29,6 1,12 26 28 27,2 0,75
HV10 295,4 313,0 305,3 5,04 266,8 277,9 273,0 2,61 Resistência
Resultados e discussão
57
Figura 49 – Amostra após ensaio de tração uniaxial realizado depois do revenido nas condições do teste 2 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste 3
Este teste foi realizado com os seguintes parâmetros: • Aço: 35B2 • Diâmetro (mm): 6 • Forno: BBI 0615 • Classe pretendida: 10.9 • Dureza pretendida: 32-39 HRC, 320-380 HV10 • Temperatura de revenido: 430 ºC
• Alterações efetuadas: - redução do tempo de revenido de 100 min para 60 min e aumento da carga do forno de 800 kg/h para 1000 kg/h
Neste caso, foram registados alguns valores de dureza excessivos para a classe pretendida (figuras 50 e 51), o que pode ser contrariado por aumento da temperatura e/ou do tempo de revenido. Tendo em conta os valores médios (tabela 41), mais uma vez se confirma que uma diminuição do tempo de revenido se traduz num aumento de dureza e um ligeiro aumento da dispersão dos valores.
Resultados e discussão
58
Figura 50 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 3 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 51 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 3 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Tabela 41 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 3 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. Desvio padrão HRC 36 40 38 1,21 35 38 36,6 0,92 HV10 360,4 390,3 375,9 8,54 363,5 392,3 376,4 6,64
Resultados e discussão
59 Teste 4
Este teste foi realizado segundo os seguintes parâmetros: • Aço: 35B2 • Diâmetro (mm): 10 • Forno: BBI 0615 • Classe pretendida: 10.9 • Dureza pretendida: 32-39 HRC, 320-380 HV10 • Temperatura de revenido: 440 ºC
• Alterações efetuadas: redução do tempo de revenido de 100 min para 60 min e aumento da carga do forno de 800 kg/h para 1000 kg/h
Este teste difere do anterior pela utilização de peças com maior diâmetro (10 mm, em vez de 6 mm) e pelo aumento da temperatura de revenido (de 430 ºC para 440 ºC). Nestas condições, verificou-se um aumento do número de medidas de dureza superiores ao limite máximo (figuras 52 e 53), relativamente ao teste anterior. Isto foi acompanhado por um aumento também da dispersão dos valores de dureza HV10 (tabela 42). Estas variações relativamente ao teste anterior mostram que o aumento dos valores e da heterogeneidade da dureza das peças devido à redução do tempo de revenido juntamente com o aumento da carga de material no forno são acentuados pela maior espessura das peças.
Figura 52 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 4 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
60
Figura 53 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 4 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
.
Tabela 42 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 4 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. Desvio padrão HRC 37 40 38,65 1,04 36 40 37,7 1,11 HV10 355,8 412,3 389,3 14,37 361,3 392,0 377,3 7,27 Teste 5
Este teste foi realizado com os seguintes parâmetros: • Aço: 19MnB4
• Diâmetro (mm): 5 • Forno: BBI 0615 • Classe pretendida: 8.8
• Dureza pretendida: 22-32 HRC, 250-320 HV10 • Resistência à tração (MPa): superior a 800 • Temperatura de revenido: 460 ºC
Alterações efetuadas: redução do tempo de revenido de 100 min para 60 min e aumento da carga no forno de 800 kg/h para 1000 kg/h
Resultados e discussão
61
Neste caso, o aumento de dureza e da dispersão dos valores é ainda mais significativa do que no teste anterior (figura 54 e 55), tendo sido registada uma fração muito grande de medições com valores de HRC e HV10 claramente superiores aos limites definidos para esta classe de peças. Apesar destes resultados, verificou-se que a integridade da secção que separa a cabeça do corpo das peças foi mantida durante os ensaios de tração uniaxial (figura 57).
Dado que o diâmetro das peças utilizadas é reduzido, a dureza excessiva exibida pelas peças não pode ser explicada com base no efeito deste parâmetro na homogeneidade das propriedades das peças após o tratamento térmico. No entanto, como se mostra na figura 57, as peças utilizadas no teste apresentam uma relação comprimento/diâmetro significativamente superior às utilizadas nos restantes testes. É possível que, devido à sua geometria, as peças utilizadas neste teste tendam assumir uma distribuição mais compacta no interior do forno, dificultando a transferência do calor e, consequentemente, reduzindo o efeito da etapa de revenido.
Por esta razão, foi realizado um teste adicional (teste 6) em que se submeteu o mesmo tipo de peças um tratamento térmico de revenido a uma temperatura um pouco superior (470 ºC), durante mais tempo (75 minutos). Os resultados obtidos não apresentados e discutidos a seguir.
Figura 57 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 5 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
62
Figura 54 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 5 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 55 – Valores de resistência à tração após revenido obtidos no teste 5 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
63
Tabela 43 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 5 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. padrão Desvio
HRC 30 38 35,4 2,33 26 30 28,5 1,30
HV10 292,4 376,2 338,5 21,50 278,0 295,0 287,2 4,07 Rm (MPa) 856 1077 976,3 80,00 801 828 812,3 6,87
Figura 57 - Amostra após ensaio de tração uniaxial realizado depois do revenido nas condições do teste 5 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste 6
Este teste foi realizado com os seguintes parâmetros: • Aço: 19MnB4
• Diâmetro (mm): 5 • Forno: BBI 0650 • Classe pretendida: 8.8
• Dureza pretendida: 22-32 HRC, 250-320 HV10 • Resistência à tração (MPa): superior a 800 • Temperatura de revenido: 470 ºC
• Alterações efetuadas: redução do tempo de revenido de 100 min para 75 min e aumento da carga de 1400 kg/h para 1750 kg/h
Apesar do forno utilizado neste teste ter sido diferente do usado no teste anterior, o aumento da variação da carga no forno foi o mesmo (25%). Como se pode ver nas figuras 58, 59 e 60, todos os valores de dureza e de resistência à tração estão agora dentro das gamas pretendidas e apresentam uma menor dispersão do que no teste anterior (tabelas 44 e 45). Para além disso, as amostras também mantiveram a integridade da secção que separa a cabeça do corpo durante os ensaios de tração uniaxial (figura 61), pelo que se pode considerar que as alterações efetuadas relativamente ao teste anterior e à situação inicial foram bem sucedidas.
Resultados e discussão
64
Figura 58 – Valores de dureza HRC após revenido obtidos no teste 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 59 – Valores de dureza HV10 após revenido obtidos no teste 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Resultados e discussão
65
Figura 60 – Valores de resistência à tração após revenido obtidos no teste 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Figura 61 – Amostra após ensaio de tração uniaxial realizado depois do revenido nas condições do teste 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Tabela 44 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste 6 Processo inicial
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. padrão Desvio
HRC 26 29 27,7 1,03 26 30 28,5 1,30
HV10 293,7 319,8 305,8 6,67 278,0 295,0 287,2 4,07 Rm (MPa) 842 883 868,9 13,54 801 828 812,3 6,87
Tabela 45 – Valores de dureza HRC e HV10 obtidos no teste 5 e 6 dos ensaios industriais com redução do tempo de revenido.
Teste 6 Teste 5
Mín. Máx. Méd. Desvio padrão Mín. Máx. Méd. padrão Desvio
HRC 26 29 27,7 1,03 30 38 35,4 2,33
HV10 293,7 319,8 305,8 6,67 292,4 376,2 338,5 21,5 Rm (MPa) 842 883 868,9 13,54 856 1077 976,3 80,00
Resultados e discussão
66
Na figura seguinte são apresentadas imagens da microestrutura obtidas após os diferentes testes de revenido. A comparação destes resultados não permite identificar diferenças significativas, sendo todas as microestruturas semelhantes às tipicamente observadas em aços com martensite revenida.
c d a e b f 50 µm 50 µm 50 µm 50 µm 50 µm 50 µm
Resultados e discussão
67
Figura 62 – Imagens obtidas por microscopia ótica da microestrutura após revenido nas condições definidas para o a) teste A, b) teste 1; c) teste 2; d) teste 3; e) teste 4, f) teste 5 e g) teste 6.
g 50 µm
Conclusões
68
Capítulo V
Conclusões
Neste trabalho, foi realizado um estudo sobre o processo de tratamento térmico da empresa Pecol Automotive, tendo em vista aumentar a produtividade do mesmo sem, no entanto, comprometer as características exigidas aos produtos finais. No estudo, foi dada uma especial atenção à avaliação do efeito da redução dos tempos de austenitização e de revenido bem como do aumento da carga de material no forno nas propriedades mecânicas e na microestrutura dos componentes de fixação. Para o efeito, foram definidas 5 etapas com objetivos complementares, cujos resultados permitiram extrair as seguintes conclusões principais:
Etapa 1 – Caracterização dos produtos e processo iniciais.
Antes do tratamento térmico, o aço 35B2 apresentava um valor médio de dureza superior ao dos aços 19MnB4 e 20MnB4 e que as peças produzidas com os 3 aços apresentavam uma microestrutura de grãos alongados resultante da deformação plástica durante o processo de enformação a frio.
Após austenitização a 880 ºC durante 60 min e têmpera em óleo as peças de todos aços apresentavam valores de dureza compatíveis com a presença de pelo menos 90% de martensite, tal como é exigida pela norma ISO 898-1.
Após revenido durante 100 min a uma temperatura que dependeu da composição do aço e da espessura das peças, foram obtidos os valores dureza e de resistência à tração dentro da gama especificada para as classes pretendidas (classe 8.8 para as peças produzidas com os aços 19MnB4 e 20MnB4 e classe 10.9 para as peças produzidas com os aços 35B2).
Etapa 2 – Comparação das características mecânicas das peças após tratamentos térmicos à escala laboratorial e industrial.
As durezas das peças revenidas em forno laboratorial e em forno industrial contínuo eram semelhantes e que, por isso, o processo de revenido podia ser estudado através de ensaios realizados no forno laboratorial.
Etapa 3 – Testes laboratoriais com redução do tempo de revenido.
A redução do tempo de revenido de 100 min para 30 min, utilizando o forno laboratorial, não conduziu a variações significativas da média e da dispersão dos valores de dureza das peças, exceto nas peças com maior diâmetro (12 mm). Neste último caso, o aumento da dureza originou a reclassificação das peças da classe 10.9 para a classe 12.9.
Conclusões
69
Etapa 4 – Testes industriais com redução do tempo de austenitização.
A redução do tempo de austenitização de 60 min para 37 min (mínimo permitido pelos fornos contínuos utilizados) e 45 min, sem e com aumento da carga de material no forno, permitiu ainda obter peças após a têmpera com valores dureza compatíveis com a presença de pelo menos 90% de martensite, tal como é exigida pela norma ISO 898- 1. No entanto, foi observado uma redução significativa da temperatura nas zonas 1 e 2 dos fornos devido à alimentação com o material.
Etapa 5 –Testes industriais com redução do tempo de revenido
A redução do tempo de revenido de 100 min para 47 min (mínimo permitido pelos fornos contínuos utilizados), sem aumento da carga de material no forno, originou peças com valores de dureza superiores às especificadas para a classe pretendida. Isto foi corrigido utilizando tempos de revenido um pouco superiores (redução de 100 min para 60 min). Foram também realizados testes com redução do tempo de revenido de 100 min para 60 min, em simultâneo com o aumento em 25% da carga de material no forno. Nestes testes foram obtidos valores de dureza excessivos para a classe pretendida, particularmente em peças com diâmetro ou relação comprimento/diâmetro maior. No entanto, a redução menos acentuada do tempo de revenido de 100 min para 75 min combinada com um aumento em 10 ºC da temperatura permitiu reduzir estes valores para a gama pretendida.
Apesar das condicionantes impostas à realização deste trabalho, resultantes da necessidade da produção normal da empresa não ser afetada, os resultados obtidos permitiram já introduzir algumas alterações ao processo de tratamento térmico da Pecol Automotive, nomeadamente o aumento em 25% da carga de material processada pelos fornos, com resultados muito positivos.
Sugestões para trabalho futuro
70
Capítulo VI
Sugestões para trabalho futuro
Para trabalho futuro propõem-se a realização de testes adicionais em que sejam utilizadas outras combinações de tempo, temperatura, carga de material no forno, diâmetro e comprimento das peças durante as etapas de austenitização e de revenido, de forma a determinar para cada caso as condições de processamento que maximizem a produtividade do processo e, simultaneamente, assegurem as características pretendidas nas peças finais.
Bibliografia 71
Bibliografia
[1] http://www.pecolautomotive.pt/?p=1 (acedido em 12-12-2017). [2] http://www.pecol.pt/ (acedido em 12-12-2017).[3] Antera Valeriana de Seabra, Metalurgia geral – volume II, Laboratório nacional de engenharia civil, 1995.
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[5] ISO 898-1:2013 – Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel, Part 1: Bolts, screws and studs with specified property classes – Coarse thread and fine pich thread, International Organization for Standardization, 2013. [6] http://www.lucefin.com/en/siderurgia/acciai-speciali-e-al-carbonio/ (acedido em 26- 12-2017).
[7] DIN EN 10263-4: 2002 – Steel rod, bars and wire for cold heading and cold extrusion, Part 4: Technical delivery conditions for steels for quenching and tempering, DIN Standards, 2002.
[8] http://www.steelnumber.com/en/steel_composition_eu.php?name_id=668 (acedido em 26-12-2017).
[9] Heat treater´s guide, practices and procedures for iron and steels, ASM international, 1995.
[10] DIN EN 10269:2014 – Steels and nickel alloys for fasteners with specified elevated and/or low temperature properties.
[11] Pinto Soares, Aços características tratamentos, 5ª edição, 1992.
[12] ASM Handbook – Heat treating, 4, American Society for Testing and Materials, 1991.
[13] https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6560-teste-da- microdureza#.W9LgYPZFzxM (acedido em 26/10/2018).
[14] ISO 18265:2003(E) – Metallic materials – conversion of hardness values, International Organization for Standardization, 2003.
[15] ASTM F2282-03 – Standard specification for quality assurance requirements for carbon and alloy steel wire, rods, and bars for mechanical fasteners, American Society for Testing and Materials, 2015.
[16] ASTM E407-07 - Standard Practice for Microetching Metals and Alloys, American Society for Testing and Materials, 2015
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Bibliografia
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