INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DA TÊMPERA SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA MICROESTRUTURA DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO VF 800AT

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DA TÊMPERA SUPERFICIAL A LASER POR DIODO NA MICROESTRUTURA DO AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO VF 800AT Viviane Writzl, viviwritzl@gmail.com Paulo Cesar Borges, pborges@utfpr.edu.br Giuseppe Pintaúde, pintaude@utfpr.edu.br Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Avenida Sete de Setembro 3165, CEP: , Curitiba, Paraná. Resumo: A engenharia de superfícies tem como objetivo melhorar o desempenho dos materiais por meio de modificações superficiais. As modificações superficiais podem ser realizadas por meio de aplicação de revestimentos ou por tratamentos térmicos ou termoquímicos. Neste trabalho a modificação da superfície é obtida pela têmpera superficial a laser por diodo, que consiste na aplicação de um feixe de laser com alta potência sobre a superfície do material, para alcançar em segundos a temperatura de austenitização selecionada em uma fina camada. Com a remoção do feixe de laser, o elevado gradiente térmico gerado entre a camada e o núcleo produz a auto-têmpera, transformando a microestrutura da superfície de austenita para martensita. As matrizes para a estampagem de componentes automotivos que apresentam grandes dimensões e necessitam de elevada dureza superficial para resistirem às forças de conformação, são desta forma componentes especialmente indicados a serem submetidos a um tratamento superficial de têmpera a laser. As vantagens dos HPDLs (Lasers por diodo de alta potência) para a têmpera superficial são: maior absorção da radiação emitida pelo feixe do laser nos materiais ferrosos; melhor controle da temperatura de austenitização através de um pirômetro acoplado no cabeçote do laser e conseqüentemente maior controle da dureza superficial; além de uma vantagem exclusiva que é a possibilidade de realizar têmpera em regiões localizadas e de difícil acesso através do controle CNC. Este trabalho analisa o efeito da temperatura de austenitização e da velocidade de processamento da têmpera superficial a laser por diodo na microdureza superficial e subsuperficial, na tensão residual e na quantidade de austenita retida da camada obtida nos aços ferramenta para trabalho a frio VF 800AT (Villares Metals). Encontrou-se que o aumento na temperatura de austenitização resultou em maiores profundidades de camada temperada e que as tensões residuais compressivas tiveram maior magnitude nas condições em que se verificaram maiores quantidades de austenita retida. Palavras-chave: HPDLs, têmpera superficial, aços ferramenta. 1. INTRODUÇÃO A corrosão, a oxidação, o desgaste e a fadiga são exemplos de falhas que se iniciam na superfície pela exposição do material e por uma maior propensão a degradação pelo meio, além da intensidade de carga aplicada na superfície (MAJUMDAR e MANNA, 2003). Neste contexto, a engenharia de superfícies surgiu como uma solução para minimizar ou eliminar estas falhas superficiais, através da modificação somente microestrutural na região da superfície, ou também através de modificações na composição química do material adicionada as modificações microestruturais. Processos convencionais como a cementação, a nitretação, a têmpera a chama e por indução são amplamente utilizados na engenharia de superfícies, entretanto possuem certas limitações, as quais são: alto consumo de energia e tempo, baixa precisão dimensional e pouca flexibilidade (MAJUMDAR e MANNA, 2003). Ainda na têmpera a chama é difícil o controle da temperatura podendo ocorrer superaquecimento do material quando um ciclo de aquecimento lento é empregado ou pode-se não atingir a dureza e a uniformidade desejada na superfície quando um ciclo de aquecimento muito rápido é empregado (ASM HANDBOOK HEAT TREATING, 1991). Outros processos superficiais por feixe eletrônico apresentam um alto custo inicial (custo de equipamento) e baixa produtividade (PASHBY, BARNES e BRYDEN, 2003). A utilização de lasers na engenharia de superfícies possui inúmeras vantagens em relação aos métodos citados acima, pois com o laser têm-se um melhor controle do processo, principalmente da temperatura de austenitização e velocidade, além do processo ocorrer em pequenos ciclos de tempo (KENNEDY, BYRNE e COLINS, 2004). Ainda no laser por diodo não ocorre o superaquecimento do material, pois o equipamento possui um pirômetro acoplado no cabeçote para controlar a temperatura do processo, além do ajuste automático da potência. A possibilidade de realizar Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 tratamentos em áreas localizadas e a formação de uma mínima distorção (controle dimensional) ainda são outras vantagens. O feixe do laser utilizado nos processos da engenharia de superfícies tem capacidade de modificar a camada dos materiais em uma profundidade de 0,01 a 5 mm, dependendo dos parâmetros do processo, embora profundidades de 0,05 mm a 1 mm sejam as mais comuns(asm HANDBOOK, SURFACE ENGINEERING, 1994). O calor gerado na peça através da absorção do laser é controlado para garantir a austenitização da microestrutura e posterior transformação desta camada em martensita, através da rápida dissipação do calor por toda a peça (ASM HANDBOOK, SURFACE ENGINEERING, 1994). A têmpera superficial a laser tem por objetivo aumentar a dureza dos materiais e conseqüentemente melhorar suas propriedades mecânicas. O aumento da dureza é atingido através da interação entre os parâmetros de processamento, temperatura de austenitização, velocidade e potência, sendo que a potência é função da temperatura e da velocidade selecionada. Para garantir a austenitização e prevenir a fusão do material, a potência é ajustada automaticamente pelo equipamento. Na têmpera superficial a laser por diodo a distribuição de energia (potência) do feixe do laser no material ocorre de duas formas: na microdureza superficial (sentido longitudinal) em forma de top hat, e no perfil de microdureza (sentido transversal) em forma gaussiana (KENNEDY, BYRNE e COLINS, 2004), conforme mostra a Fig. (1) abaixo. Feixe do laser Largura do feixe Direção do feixe a Amostra Zona temperada Figura 1 Esquema do feixe do laser na peça tratada. (a) sentido longitudinal, (b) sentido transversal. (ASM HANDBOOK, SURFACE ENGINEERING, 1994). No estudo realizado por Lusquinos et al (2007) variando os parâmetros temperatura, velocidade e potência da têmpera superficial a laser por diodo, foram atingidos microdurezas máximas de 650 HV com uma profundidade de endurecimento de 0,4mm no aço AISI No presente trabalho, utilizou-se a técnica de têmpera superficial a laser por diodo com o objetivo de analisar o efeito dos parâmetros do processo, temperatura de austenitização e velocidade de processamento na microdureza superficial, profundidade de endurecimento, nas tensões residuais e no percentual de austenita retida do aço ferramenta VF800AT. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Um aço ferramenta para trabalho a frio VF800AT fornecido pela Villares Metals, na forma de barra, forjada e recozida, com dureza de aproximadamente 228 HB, e composição química apresentada na Tab. (1), foi submetido ao tratamento de têmpera superficial a laser por diodo. Tabela 1. Composição química em peso, do aço ferramenta utilizado. Elemento(s) Químico C Mn Si Cr Ni Mo W V 0,870 0,375 0,882 8,146 0,167 2,183 0,010 0,444

3 2.1 Preparação das Amostras A barra de aço forjada foi primeiramente cortada, usinada e retificada em um bloco com dimensões de 100 mm x 100 mm x 100 mm e posteriormente foi submetido ao tratamento de têmpera superficial a laser por diodo, como mostra a Fig. (2a). Após a têmpera, o bloco foi cortado por eletroerosão a frio em fatias de 10 mm para a caracterização, como mostra a Fig. (2b). (a) (b) A Área temperada Largura do feixe do laser: 15 mm x 15 mm Fina camada temperada (variação dos parâmetros da têmpera superficial a laser) 100 B Distância entre os feixes de laser: 10 mm Figura 2. (a) Dimensão do corpo de prova utilizado nesta pesquisa (mm); (b) Corte transversal mostrando a camada superficialmente temperada a laser variando os parâmetros do processo (Corte A-B). O equipamento Kuka - KR 100 HA utilizado neste trabalho é de propriedade da empresa COMP. O funcionamento do laser por diodo se dá por meio de semicondutores integrados a um robô CNC, e a radiação é transportada por fibra ótica, como mostra a Fig. (3). A óptica utilizada (largura do feixe) foi de 15 mm x 15 mm. Ventilação Pirômetro Sensor de impacto Cabeçote do Laser / Semicondutores Ópticas Esteira Figura 3. Principais componentes de um equipamento de têmpera superficial a laser por diodo.

4 A potência do equipamento é ajustada automaticamente em função dos parâmetros definidos, ou seja, da temperatura de austenitização e da velocidade de processamento, sendo 4700 W a potência máxima. Os experimentos foram realizados variando os parâmetros: temperatura de austenitização e velocidade de processamento, como mostra a Fig. (4). VF 800AT Aço Ferramenta Villares Temperatura 1020ºC Temperatura 1080ºC Temperatura 1140ºC Velocidade 1 mm/s 2 mm/s Velocidade 1 mm/s 2 mm/s Velocidade 1 mm/s 2 mm/s Figura 4. Experimentos realizados nos aços ferramenta. 2.2 Caracterização A microestrutura dos aços foi analisada antes e após da têmpera superficial a laser por diodo em microscópio óptico. As amostras para análise metalográfica foram cortadas no sentido transversal, lixadas até a grana de 1200 e polidas com suspensão de diamante até ¼ µm. Para revelar a microestrutura do aço foi feito ataque metalográfico utilizando solução Nital (Álcool etílico + 4% de ácido nítrico). A microdureza foi avaliada por meio do ensaio Vickers, utilizando-se carga de 1 kgf e tempo de aplicação de 10 s. Foi levantado o perfil superficial no topo da amostra e o perfil de dureza em função da profundidade obtida no corte transversal. O espaçamento utilizado para as identações foi de 1000 µm para o perfil de topo e de 200 µm para o perfil em função da profundidade. Cada ponto indicado nos perfis de microdureza corresponde a uma média de três medições. Para a profundidade de endurecimento utilizou-se como referência o valor de 420 HV (aprox. 43HRC), o que equivale a aproximadamente duas vezes a dureza inicial do aço a ser temperado, (dureza inicial de 228HV). A Tensão residual superficial e o percentual de austenita retida após o processo de têmpera foi determinada por meio de difração de raios-x (DRX). Utilizou-se o método Iso-inclination, a radiação incidente (Cr), o pico de difração analisado ( ), a variação angular (150 < 2θ < 157), corrente de 30mA e tensão de 40 kv. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Análise da microestrutura A Figura 5 (a e b) mostram a microestrutura do aço ferramenta para trabalho a frio VF 800AT no seu estado de fornecimento, recozido, composta por pequenos carbonetos primários e carbonetos grosseiros na matriz ferrítica. (a) (b) Figura 5. Microestrutura do material base do aço ferramenta VF 800AT. Ataque Nital 4%. (a) Microestrutura composta de pequenos carbonetos primários na matriz ferrítica; (b) Ampliação.

5 O efeito da têmpera superficial a laser por diodo no aço ferramenta VF 800AT pode ser observado na Fig. (6). A microestrutura é composta de finos e grosseiros carbonetos primários e secundários não dissolvidos na matriz martensítica. Com o aumento da temperatura melhora-se a dissolução dos carbonetos. Na Figura 6 (b) visualiza-se a microestrutura para a condição de austenitização a 1140 ºC e velocidade de 2 mm/s obtida em com detector de elétrons retroespalhados em microscópio eletrônico de varredura (MEV). Dois tipos principais de carbonetos são encontrados. Carbonetos cinza escuro em processo de dissolução (região escura com auréola branca) e carbonetos claros. As análises de EDS indicam que o carboneto cinza é rico em cromo vanádio e molibdênio. E o carboneto claro é composto predominantemente de Mo e V. a) b) Figura 6. Microestrutura após têmpera a laser do aço ferramenta VF 800AT, composta de pequenos e grosseiros carbonetos primários e secundários não dissolvidos na matriz martensítica (Nital 4%). (a) Microscopia ótica (M.O), Temp.=1020ºC e Vel.= 1 mm/s; (b) Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Temp.= 1140 ºC e Vel.= 2 mm/s Efeito dos parâmetros de processamento Os efeitos dos parâmetros de processamento estudados estão apresentados nas Fig. (8, 9, 10, 11 e 12), onde se observa a influência da variação da temperatura de austenitização e velocidade de processamento na microdureza superficial, no perfil de microdureza Vickers, na tensão residual e no percentual de austenita retida. Os resultados da microdureza superficial em função da temperatura de austenitização (1020 ºC, 1080 ºC e 1140 ºC) e da velocidade (1 e 2 mm/s) são visualizados nas Fig. (8 e 9) a seguir. Figura 8. Influência da temperatura de austenitização na microdureza superficial de topo do aço ferramenta VF 800AT, com velocidade de processamento de 1 mm/s.

6 Figura 9. Influência da temperatura de austenitização na microdureza superficial de topo do aço ferramenta VF800AT, com velocidade de processamento de 2 mm/s. Analisando os resultados de microdureza superficial em função da temperatura de austenitização e da velocidade indicados nas Fig. (8 e 9), verifica-se que a forma top hat foi verificada em ambas as condições de velocidade. Entretanto, com a maior velocidade de 2 mm/s (Fig. 9) houve uma queda de dureza no centro do feixe do laser. Inicialmente verifica-se se que com a velocidade menor de 1 mm/s a dureza aumenta com o aumento da temperatura, entretanto cai levemente no centro do feixe do laser ao atingir a temperatura de 1140ºC. As durezas máximas foram de 636, 714 e 702 HV para as respectivas temperaturas de 1020º, 1080º e 1140ºC. Acredita-se que com o aumento da temperatura melhorou a homogeneidade da austenita favorecendo assim o endurecimento até a temperatura de 1080ºC. Ao atingir a temperatura de 1140ºC a maior dissolução dos elementos de liga em especial o Cromo e o Carbono pode ter aumentado a quantidade de austenita retida ou mesmo estabilizado a ferrita com o aumento do Cromo em solução. Conseqüentemente promovendo a redução da dureza na região mais aquecida da camada. Para a velocidade de 2 mm/s (Fig. 9), os valores de dureza no centro foram de 710, 654 e 511 HV1 para as temperaturas de 1020º, 1080 º e 1140º C respectivamente. Verifica-se uma queda de dureza mais acentuada no centro do feixe do laser com o aumento da temperatura. Entretanto, ao longo do sentido longitudinal atingiram-se as maiores durezas superficiais, 757 HV para a temperatura de 1080 ºC e 715 HV para a temperatura de 1140 ºC. Acredita-se que o aumento da velocidade e conseqüente um maior aporte térmico para o rápido aquecimento (aumento automático da potência) obtenha-se uma austenita mais heterogênea. Sendo que regiões próximas aos carbonetos apresentem-se ricas em elementos de liga. Como conseqüência, o efeito de formação de austenita retida ou mesmo a estabilização da ferrita seriam mais intensos. Desta forma, justificando a redução da dureza no centro do feixe do laser. A hipótese de formação de ferrita pode ser mais bem entendida através da análise dos diagramas pseudo binários para aços ferramenta com 5 e 13% de Cromo. Como mostra a Fig.(10) a linha vermelha indica a temperatura de austenitização de 1140 ºC. Durante o processo de austenitização a elevada temperatura e a rápida velocidade de processamento deve produzir na camada temperada regiões heterogêneas. Sendo que regiões próximas aos carbonetos deverão conter teores elevados dos elementos formadores dos carbonetos. Como o carbono é um elemento que se difunde mais rápido que os elementos substitucionais sua composição rapidamente uniformiza, entretanto os elementos substitucionais como o Cr são mais lentos e tornariam heterogêneas estas regiões. O Cr é conhecido como um elemento alfa gênico e desta forma pode estabilizar a fase alfa do sistema ferro carbono próximos aos carbonetos. Este efeito deverá ser maior quanto mais rápido o aquecimento, devido a menor distribuição do Cr existente na vizinhança dos carbonetos. O teor de Cr no carboneto do tipo Cr 7 C 3 é da ordem de 92% em peso.

7 (a) (b) Figura 10. Diagramas pseudo-binários Fe, C e Cr. a) 5% de cromo; b) 13% de cromo. A, F e L designan as fases austenita, ferrita e liquido respectivamente. Os resultados da faixa de potência ajustada automaticamente pelo equipamento para o aquecimento em função da temperatura de austenitização e da velocidade selecionadas são visualizados na Tab. (2). Tabela 2. Faixa de Potência em função da temperatura de austenitização e velocidade. Faixa da potência ajustada automaticamente pelo equipamento na camada analisada Temperatura de Austenitização 1020ºC 1080ºC 1140ºC Velocidade 1 mm/s 800 a 1000 W 1000 a 1250 W 900 a 1000 W Velocidade 2 mm/s 1250 a 1500 W 1500 a 1650 W 1500 a 1750 W Quanto à potência aplicada, conforme demonstrado na Tab. (2), nas condições de maior velocidade (2 mm/s) o equipamento ajustou automaticamente para uma potência maior, em torno de 1250 à 1750 W, para ocorrer a austenitização da região aquecida. Para as condições de menor velocidade (1 mm/s) o equipamento ajustou automaticamente para uma potência menor, em torno de 800 à 1250 W. A influência da temperatura de austenitização e da velocidade de processamento na profundidade de endurecimento pode ser visualizada nas Fig. (11 e 12).

8 Profundidade de endurecimento mínima: 420 HV Figura 11. Influência da temperatura de austenitização no perfil de microdureza do aço ferramenta VF 800AT, com velocidade de processamento de 1 mm/s. Profundidade de endurecimento mínima: 420 HV Figura 12. Influência da temperatura de austenitização no perfil de microdureza do aço ferramenta VF 800AT, com velocidade de processamento de 2 mm/s. Analisando as Fig. (11e 12) verifica-se que as profundidade de endurecimento para a velocidade de 1 mm/s foram de aproximadamente 0,8, 1,5 e 2,0 mm para as temperaturas de 1020ºC, 1080ºC e 1040ºC respectivamente. Para a velocidade de 2 mm/s foram de aproximadamente 1,0, 1,5 e 1,7 mm para as temperatura de 1020ºC, 1080ºC e 1040ºC respectivamente. Verifica-se que houve uma relação direta da temperatura com a profundidade de endurecimento, ou seja, o aumento da temperatura produz um aumento na profundidade de endurecimento. Entretanto, não fica claro o efeito da velocidade. Isto pode estar associado à mudança da potência, ou seja, do aporte térmico. Com a redução da velocidade, ocorre uma redução da potência para atingir a temperatura ajustada e assim, há uma minimização da profundidade de endurecimento. Os resultados de tensão residual em função da temperatura de austenitização e da velocidade de processamento para as amostras temperadas superficialmente a laser por diodo são mostrados na Fig. 13. As tensões residuais resultantes são compressivas, variando de -139 à -694 MPa, decorrentes das transformações de fase.

9 Figura 13. Variação da tensão residual em função dos parâmetros da têmpera superficial a laser de diodo (Temperaturas de 1020ºC, 1080ºC e 1140ºC e velocidades de 1 e 2 mm/s). Observa-se que a tensão residual se torna mais compressiva com o aumento da temperatura até 1080ºC e decresce para a temperatura de 1140ºC. Verifica-se também uma tendência para tensões residuais compressivas mais elevadas para menor velocidade de processamento. A maior diferença entre os valores de tensão residual compressiva, para uma mesma temperatura em função da velocidade de processamento, foi para a temperatura de 1080 C. Os resultados da austenita retida (γ ret ) em função da temperatura de austenitização e da velocidade de processamento para as amostras temperadas superficialmente a laser por diodo são mostrados na Fig. (14). Figura 14. Variação da austenita retida (γ ret ) em função dos parâmetros da têmpera superficial a laser de diodo (Temperaturas de 1020ºC, 1080ºC e 1140ºC e velocidades de 1 e 2 mm/s). A análise da Fig. (14) permite verificar que a quantidade de austenita retida (γ ret ) cresce com a temperatura para a velocidade de processamento de 1 mm/s, e que o mesmo não acontece para a velocidade de 2 mm/s. No ultimo caso a γ ret cresce até 1080ºC e depois decresce. Isto ocorre devido a maior heterogeneidade da austenita para maiores velocidades de processamento.

10 3.3. Conclusões Este trabalho investigou a influência de parâmetros da têmpera a laser por diodo na microestrutura do aço VF800AT, de modo que pode-se concluir que: A microdureza superficial aumenta com o aumento da temperatura de austenitização, e a forma top-hat é verificada na distribuição de energia, resultando em maiores durezas no centro do feixe do laser. Contudo maiores velocidades de processamento produzem uma austenita mais heterogênea promovendo a redução da dureza no centro do feixe do laser. Maiores velocidades demandam maiores potências para ocorrer a austenitização da camada superficial. A temperatura de austenitização tem relação direta com a profundidade de endurecimento. Maiores temperaturas resultam em maiores profundidades tratadas. As tensões residuais resultantes da têmpera superficial a laser por diodo são compressivas, decorrentes das transformações de fase. Os maiores percentuais de austenita retida ocorreram nas condições onde resultaram maiores valores de tensões residuais. 4. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a empresa COMP, Bosch e a Villares Metals pela colaboração no trabalho realizado. 5. REFERÊNCIAS Asm International handbook: Heat Treating, Vol.4, Asm International handbook: Surface Engineering, Vol.5, Kennedy, E., Byrne G.,Colins D.N, A review of the use of high power diode lasers in surface hardening. Journal of Materials Processing Technology, Elsevier Science. Majundar, J. Dutta, 2003, Laser Processing of Materials, Sadhana Vol, Parts 3 & 4, pp Lusquinõs, F., Conde, J.C., Bonss, S., et al., 2007; Theoretical and experimental analysis of high power diode laser (HPDL) hardening of AISI 1045 steel. Applied Surface Science, Elsevier Science. Pashby, I.R.; Barnes, S.; Bryden, B.G., 2003, Surface hardening of steel using a high power diode laser. Journal of Materials Processing Technology, Elsevier Science. INFLUENCE OF THE PARAMETERS OF SURFACE HARDENING BY DIODE LASER ON THE MICROSTRUCTURE OF COLD WORKING TOOL STEEL VF 800AT Viviane Writzl, viviwritzl@gmail.com Paulo Cesar Borges, pborges@utfpr.edu.br Giuseppe Pintaúde, pintaude@utfpr.edu.br Federal University of Technology - Paraná, Avenida Sete de Setembro 3165, CEP: , Curitiba, Paraná. Abstract: The surface engineering aims to improve the performance of materials by means of surface modifications. The surface modifications can be achieved by applying coatings or by means of thermal or thermochemical treatments. In this study the surface modification is obtained by the surface hardening using laser diode, which consists in to apply a high-power beam on the material surface to achieve in seconds the austenitizing temperature selected in a thin layer. As the laser beam is removed, the high thermal gradient generated between the layer and the bulk produces a self-quenching, i.e., transforming the surface microstructure from austenite to martensite. The stamping dies for automotive components, which have large dimensions and require high surface hardness to withstand to the shaping forces, are components particularly suitable to be subjected to a surface treatment of laser quenching. The advantages of High Power Diode Lasers (HPDLs) for the surface hardening are: a higher absorption of radiation emitted by the laser beam in ferrous materials, better control of austenitizing temperature using a pyrometer coupled to the laser head and consequently a better control of hardness, besides a exclusive advantage that is the possibility of hardening in localized regions of difficult accessing, through the CNC control. This study analyzes the effect of austenitizing temperature and the processing speed of surface hardening by laser diode on the superficial and sub-superficial microhardness, on the residual stress and on the amount of retained austenite in the resulting layer obtained for a cold working tool steel VF 800AT (Villares Metals). It was found that the increase of austenitizing temperature resulted in higher case hardened layers and that the compressive residual stresses had higher magnitude in the conditions in which higher amount of retained austenite was verified. Keywords: HPDLs, surface hardening, tool steels.

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