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论文
学号
学校代码
10722
公开
密级
TB321
分类号
“二元法”对磨削料摩擦性能的
测试分析
"DualMethod"ofGrindingMaterialFrictionPerformanceTestingAnalysis
王学军
作者姓名
材料化学
专业名称
工学
学科门类
杨振
成绩评定
提交论文日期
指导教师
2012年5月
摘要
通过对摩擦材料加工过程中产生的磨削料用二元法进行基础性能测试分析结果发现粒度大的磨料机械强度较大,粒度小的摩擦系数较大,但综合性能均不能达到国家标准,故以此结论为基础用数组原料设计出三组以磨削料为主要填料的摩擦材料改进配方,再压制成成品片,进一步对其进行了摩擦性能检测,发现第二组的各项性能均满足国家行业标准,是一个较为理想的磨削料再利用方案。
可用于工业生产。
关键词:
磨削料再利用;二元法;摩擦性能;测试分析
Abstract
Throughtothefrictionmaterialprocessingproducesintheprocessofgrindingmaterialwiththesecondelementmethodandthebasicperformancetestanalysisresultsfoundstrengthbigabrasivemechanicalstrengthisbigger,particlesizesmallfrictioncoefficientislarger,butcomprehensiveperformancearenotuptonationalstandards,thereforeconclusionbasedrawmaterialsdesignusinganarrayofgrindingmaterialforthreemainpackingfrictionmaterialimprovementformula,tosuppressintofinishedproductspiece,furtherthefrictionpropertiestest,foundthatthesecondgroupofvariousperformancewillmeetthenationalstandardoftheindustry.Isarelativelyidealgrindingmaterialrecyclescheme.Canbeusedinindustrialproduction.
Keywords:
grindingmaterialrecycle;dualmethod;frictionperformance;testanalysis
目录
摘要...............................................................................................................................................Ⅰ
前言1
1文献综述2
1.1摩擦材料的简介2
1.1.1增强纤维2
1.1.2粘结剂6
1.1.3摩擦性能调节剂7
1.2行业的发展前景及相关问题的提出7
1.3方案设计8
2实验部分9
2.1药品试剂与仪器设备9
2.1.1药品试剂9
2.1.2仪器设备9
2.1.3部分仪器设备的工作原理10
2.2实验操作12
2.2.1制作工艺简介12
2.2.2试验设计13
2.2.3基础组摩擦性能测试14
2.2.4改进组摩擦性能测试16
3结果与讨论18
3.1基本性能综合分析18
3.2改进方案的提出18
结论19
致谢20
参考文献21
前言
现如今,随着工业技术及交通运输业的迅猛发展,人们对应用于各类交通工具和动力机械的制动器和离合器材料无论是质上或者是量上都提出了更高的要求。
因此,在以前很长一段时间并且会在未来的很长一段时间内国际国内的摩擦材料领域发展迅猛。
在行业迅猛发展的同时也出现了的量的问题,在材料的加工过程中会产生大量的磨削料,若将这些料直接作为原料应用,会影响产品的质量,若直接投放环境,又会污染环境,造成资源浪费。
本实验对磨削料进行先期的基础性能测试分析,并在此基础上进行合理的配方设计,设计出一种能够利用磨料作为填料的摩擦材料配方。
在初始阶段,人们对摩擦材料的要求仅仅局限于其能满足基本的制动和传动要求,并不考虑其磨损性,制动噪音的大小,刹车磨料是否会污染环境,制动是否平稳等等相关性能。
但随着社会发展,车辆行驶速度的提高,高速车况下制动问题摆在面前,而且制动中会产生大量的热,摩擦材料在高温环境下性能是否会衰退。
等等问题随之出现。
故对摩擦材料的耐高温性,环保性,机械强度等性能提出了高的要求。
鉴于此,我们在既要满足基本制动要求,又能环保经济节约成本理念的指导下,经过多组实验,设计出了一组较为理想的磨削料再利用配方。
但由于笔者水平有限,实验过程及结论中有些许错误在所难免,望各位读者能提出诚恳宝贵建议。
1文献综述
1.1摩擦材料简介
摩擦材料是一类应用在各种交通工具(如汽车,火车,摩托车,飞机,轮船,自行车等)及各类动力机械(如石油钻机,拖拉机,电梯,挖掘机,坦克等)上,依靠摩擦作用来完成制动和传动功能的部件材料,它主要包括用于制动的制动器衬片(俗称刹车片)和用于传动的离合器面片(俗称离合器片)。
它是所有车辆和大部分动力机械组成的不可或缺部件,发挥着不可替代的作用。
在使用上要求其要有一定的摩擦系数,足够的机械强度、稳定性,低的制动噪音,以及较低的磨损率以并很好的耐高温性能。
一般的单一材料往往不能达到性能要求,故决定它是必须是一类由增强纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和填料等原材料混合压制成型的三元复合材料。
这不仅克服了单一的原料缺陷,而且可以通过不同原料之间的性能偶合来发挥单一组分本身没有的性能。
它的主体复合成分为粘结剂(树脂与橡胶)、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类以及其他的钢背等附件,摩擦材料的制备方法分为干式和湿式两种。
干式制备的摩擦材料主要采用无石棉的有机材料和烧结摩擦材料;湿式制备的摩擦材料主要有纸基摩擦材料、石墨基摩擦材料和烧结摩擦材料。
1.1.1增强纤维
增强纤维是一类常见的增强体材料,增强纤维的使用主要使制动材料具有一定的强度和韧性,耐得住冲击、剪切、拉伸等机械作用而不会出现了裂纹、断裂、崩溃等损伤。
因此应有足够的强韧性,良好的摩擦磨损性能,与树脂的分散黏附能力好,耐热性好。
摩擦材料按增强纤维出现次序可分为先期使用的石棉材料增强纤维和后期兴起的无石棉摩擦材料。
石棉材料因具有良好的分散性和结合性,有较高的比模量,耐磨并且在高温环境下力学性能不衰退等优良特性并且由于其分布广,成本低廉、价格便宜,性价比高起初被公认为最理想的增强材料被广泛应用于摩擦材料及其他行业,但石棉纤维会被无限分割成非常细小的人肉眼观察不到的纤维很容易被人通过呼吸系统吸收沉积在肺部,引发肺部疾病乃至癌变。
因此石棉已被国际癌症研究中心确定为致癌物。
现石棉原料已被好多国家限制使用并逐渐被其他的一些人工合成的矿物纤维,有机纤维,金属纤维,陶瓷纤维所替代。
无石棉摩擦材料研究研究始于上世纪80年代中期,到1989年国内已有多家厂商和科研单位相继推出无石棉摩擦材料,主要集装配于轿车用的盘式刹车片,其构成均以别的非石棉纤维作为石棉的替代物。
1990年杭州杭城摩擦材料公司从德国Pagod公司引进上海大众汽车公司桑塔纳轿车配套的720GG无石棉盘式刹车片生产技术,这也是我国首次从国外引进的无石棉摩擦材料生产技术。
总的来说,我国的汽车工业起步较晚,摩擦材料的发展也相对滞后,研发部门很不健全加之缺乏资金投入和协作,且没能与汽车主管部门及主要汽车制造商达成共识,致使无石棉、低噪声的新型摩擦材料的研制发工作受到制约,落后于国外[1]。
目前主要使用的非石棉增强纤维主要有以下数种:
(1)碳纤维
碳纤维是一种新型纤维材料,它是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500℃所形成的纤维状材料,碳含量在90%以上。
由于碳纤维既具有碳素材料固有本质,又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能,是一种多能和一材多用的功能材料和结构材料。
因此在未来会广泛应用于重工业和轻工业领域如航空航天、军工、汽车、医疗、化工、文化体育用品等领域。
按原料碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基碳纤维和酚醛树脂碳纤维。
目前,使用多的主要为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,其它碳纤维很少。
沥青基碳纤维又分为通用型沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维两种。
碳纤维有如下优良特性:
比重轻、比模量高、耐磨、耐疲劳、减振等物理机械性能;耐酸、碱和盐腐蚀,可形成多孔、表面活性强的活性碳纤维;热膨胀系数小,导热性好;高温环境下性能不衰退;具有润滑性,不沾润在熔融金属中,可使磨损率降低;如此的优良特性在摩擦材料领域表现出了非常大的开发应用前景,碳纤维的使用在很大程度上提高了摩擦材料的综合性能,常加入到树脂、金属或陶瓷、碳、水泥等基体中,构成碳纤维增强复合材料,是一种极为有用的结构材料。
虽然碳纤维有很多的优点,但目前阶段由于其生产条件苛刻,工艺复杂,价格昂贵,故在目前只在飞机的传制动部件以及部分高配制轿车和部分赛车的摩擦材料构件的生产制造中应用。
其他方面的应用尚处于研究阶段[2]。
(2)海泡石纤维
海泡石纤维是一种稀有非金属矿,是我国新兴矿种之一,经多年地质探测证实,探明储量在1000万吨以上。
我国的海泡石矿藏主要分布于湖南、陕西、江苏、河北、天津等地。
其结构分散性良好,而且取向随机,具有良好的填充性,已被广泛应用于各个各个领域。
海泡石按其形态分为α海泡石和β海泡石两种,前者成大束的纤维状晶体产出,即通常成为纤维状海泡石,后者呈土状产出,是由非常细且短的纤维或纤维状集合体组成。
由于产地不同,海泡石矿物有白、黄、灰等数种颜色,纯净的海泡石多呈现白色至浅白灰色,粉末状的海泡石质轻,易浮于水面,溶于水中后吸水迅速成絮凝状,且吸水量较大,润湿的海泡石具有极强的粘结性[3-5]。
海泡石纤维具有优良的摩擦性能,主要得益于海泡石纤维独特的结构。
其一是海泡石具有良好的耐热性能,在高温下其结构仍能保持稳定。
在250℃高温下纤维结构依然稳定,耐温达1500-1700℃道孔隙结构的“分子筛”在860℃时,才会遭到破坏。
由此可知,海泡石的热力学性能稳定。
其二是由于其具有极大的表面积和极强的吸附能力会充分的和其他的复合组分结合在结合界面上形成很强的结合力。
海泡石所特有的结构决定它有很好的吸附性能、流变性能和催化性能。
吸附剂的吸附能力与其表面积大小有直接关系,经计算海泡石的表面积可达到900m2/g,其中内表面积为500m2/g,外表面积为400m2/g,如此大的比表面积是海泡石有较强吸附能力的直接原因。
α海泡石纤维具有极大的比表面积和孔隙率(比表面积为203.3~362.8m2/g,孔隙率为32.18%~46.87%),因而具有很强的吸附能力;且海泡石的微观形貌成束状,每束直径为0.1~0.3微米,平均0.2微米,长径比为1:
60~100微米,通过于摩阻材料复合,能充分发挥基体强度,改善基体于界面的关系,提高材料的剪切强度,达到不连续纤维混杂效应的增强效果。
材料因密度小,硬度低,对对偶损伤小,热传导低,制动噪音小。
同时,海泡石纤维能在极性溶剂、液态树脂中高度分散,形成纤维网状结构,在复合材料中起到了随机增强的作用;再者,海泡石纤维与粘结剂界面上的物理吸附和化学键合(以共价键方式联结)增强了界面上的粘结力,提高了摩擦材料的整体机械强度。
当摩擦材料的基体受热分解时,海泡石能吸附分解时产生的水和小分子化合物及气体,能够很好的避免因混合摩擦而产生的热衰退现象;海泡石的价格约为同类钢纤维、碳纤维、玻璃纤维价格的1/6左右,可与各种填料和粘结剂充分混合,制造同一规格的摩擦片成品可节省原料近40%,因此成本大大降低[6-8]。
(2)陶瓷纤维
陶瓷纤维具有强度高,耐化学腐蚀,耐高温等特性。
是一种较为理想的摩擦材料增强纤维,但它目前还是存在自身的一些缺陷,在制动时会产生较大的噪音,对对偶材质的损伤也较其他矿物纤维和有机纤维大。
还有待继续改进,一下以硅酸盐纤维为例做以介绍,硅酸盐纤维是一种人造陶瓷纤维,它的渣球含量非常低,在质量要求高,并要求低噪音、低磨损(摩擦材料与盘/鼓)的摩擦材料中,这一点是很重要的。
硅酸盐纤维耐温高,最高耐温在1000℃,具有良好的热稳定性,可减少摩擦片的热衰退现象;佷低的热传导率可防止急刹车时出现的超高温对制动管和刹车油的影响。
比重小,比表面积大;表面吸附性强;纤维强度高,其增强效果可满足盘式刹车片和鼓式刹车片的基本要求。
硅酸盐纤维全面通过放射性测试,绝无石棉成分,完全符合绿色环保要求。
硅酸盐纤维有以下优良特性:
a耐磨
良好的耐磨性,表明产品使用寿命长,也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标,与半金属配方相比,使用寿命可以提高1.5倍以上。
b具有良好的机械强度和物理性能
硅酸盐纤维具有的强度﹑韧性等特点,从而使制品在恶劣的刹车条件下也能具有非常好的强度特性。
c有良好的性能价格比和市场竞争力
硅酸盐纤维比表面积大﹑吸附性强﹑具有很好的填料保持能力,在摩擦材料中有极佳的纤维分布性,在单位体积上大大的节省了成本。
d制动舒适﹑环保
良好的制动性能及理化机械性能等特点,使刹车时脚感舒适;全面通过放射性测试,绝无石棉成分,完全符合日益提高的环保要求[9-10]。
(3)金属纤维
在摩擦材料生产研发领域中,金属纤维同有机和无机纤维一样具有独特的性能和广泛的用途。
金属纤维具有良好的导热和耐高温性能,而且制造方法较简单,成本价格便宜。
但相对于其他纤维材料,其有质硬,易损伤对偶盘且易生锈等本质缺陷。
然而缺点归缺点,不会在较大程度上影响其使用。
以金属纤维为填充剂的复合材料在民用行业如电子、化工、机械、纺织、食品、医药部门开拓了广阔的应用前景。
在民用工业上应用金属纤维复合材料也势在必行。
金属纤维作为一种新兴的纤维材料已经受到各行各业的重视[11]。
金属纤维在外观上看有多种多样。
按材质分有不锈钢、碳钢、铸铁、铜、铝、镍、铁铬铝合金、高温合金等。
按形状分为长纤维、短纤维、粗纤维、细纤维、钢绒、异型纤维等。
金属纤维的生产方法有传统的拉丝切断法、还有熔抽法、集束拉拔法、刮削法、切削法等。
目前纤维最小的直径达0.5微米,最长可达几十米甚至几百米。
各国生产的金属纤维、碳钢纤维居多,其次是不锈钢、铝、黄铜纤维和铸铁纤维。
但从用途上看异型粗纤维的需要量大,其次是细短纤维和细长纤维。
纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm),纤维的长径比(钢纤维长度l与直径d的比值,即I/d),纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数),纤维与基体间的粘结强度(τ),以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响。
适量加入钢纤维会使其其磨损率减小,硬度,冲击强度增大。
如若加入量过多则会在一定程度上损伤对偶盘。
1.1.2粘结剂
粘结剂是摩擦材料的基体,其优劣是决定摩擦材料摩擦磨损性能好坏的关键。
作用是将多个组分粘合成一个整体。
摩擦材料粘合剂必备的条件是首先要有合适的模量以保证在摩擦时有大的实际接触面积,并使摩擦偶对工作时稳定;其次应有足够的耐热性,以防止引起严重的“热衰退”现象;再次是分解后的残余物质要有一定的摩擦性能,与纤维要有优良的浸润力、高的吸附强度;另外还要具有良好的机械加工性能[12]。
粘结剂的粘结机理是在一定的温度下(通常是160℃)粘结剂分子会开始发生流变随后再经过有序变化形成网状结构,所有的粘结剂分子连接起来并将其他组分包在一起形成一个整体,起到粘结作用。
粘结剂常用酚醛树脂、橡胶。
由于酚醛树脂具有良好的耐热性能和机械性能以及原料便宜、工艺简单等优点,所以是生产摩擦材料的常用树脂。
但随着科技的发展酚醛树脂已越来越满足不了现代摩擦材料的要求。
通常用的方法主要有二个,其一是将酚醛树脂进行改性。
其二是将酚醛树脂和橡胶粉混合使用。
目前,对酚醛树脂的改性主要有以下数种途径:
一,用腰果壳油对其进行改进,将腰果壳油加入到树脂中在催化剂和一定温度下使其反应,如此便可使树脂的硬化时间大大缩减并且会改变成品的摩擦因数降低磨损率。
二,用三聚氰胺-腰果壳油进行改进,有此方法得到的YSM树脂,三聚氰胺使大分子的耐热性提高,并且主链中引入了较长侧链的腰果壳分子提高了其柔韧性。
想其他的还有乳胶改进及聚乙烯醇改进等方法。
橡胶也是摩擦材料常用的粘结剂之一,常用的有天然橡胶,丁苯橡胶,丁晴橡胶。
在使用时也通常会加入一定的性能调节剂,如硫化剂,硫化促进剂,抗老化剂等。
粘合原理是在一定温度下和硫磺或其他硫化剂发生反应使链状分子的橡胶大分子变成了网状交联结构的分子。
但单一的用橡胶做粘结剂制成的摩擦材料不能适应高制动压力和高转速条件下的制动要求故只限于制造城市公交车的软质制动片及工程机械的制动片。
应用面相对较窄。
单一的树脂做粘结剂制成的片材质硬而脆,抗冲击能力差;制品弹性模量过高,与摩擦副表面贴合性差,摩擦时温度会局部过高,材料表面易龟裂,导致表面碎裂脱落,磨损加快,寿命减短;再者材质过硬会产生较大的制动噪音。
鉴于此,树脂和橡胶共混型粘合剂成为各类摩擦材料生产厂家的首选。
既能克服单一树脂类的质脆及噪音大冲击强度小等缺点,又能克服单一橡胶材料不能承受高负荷的缺点[13-15]。
1.1.3摩擦性能调节剂(填料)
摩擦性能调节剂是摩擦材料中不可缺少的组分,它主要有如下几个方面作用:
1、改善制品的摩擦性能(摩擦系数、磨损率)2、改善制品的外观颜色、质量、刚度、硬度、制动噪声及密度。
3、提高制品的加工性能与工艺性能。
4、控制制品的热膨胀系数、收缩率,增加产品尺寸稳定性。
5、改善制品的导热性6、在不影响性能的前提下降低生产加工成本。
由于摩擦材料是一种具有高性能要求的多元素组成的复合材料,其性能往往由许多种材料性能互补,相互作用决定,所以根据不同的性能要求,研究人员必须通过大量的试验,筛选适合的材料及组成比。
按材质填料通常被分为为:
①硬质材料:
硅石粉、碳化硅、氮化硅和石榴石等几种,一般要求粒度在100μm以下;②金属及其氧化物:
铝、铅、锌、氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化钼及氧化铝等;③矿物无机填料:
云母、滑石、蛭石、重晶石、高岭土、绿泥硅藻土、膨润土、白云石粉等;④有机填料:
主要为橡胶粉(轮胎粉、丁腈橡胶粉等)和摩擦粉(包括腰果油树脂粉);⑤轻质填料:
应用最为广泛的有轻质二氧化硅、多孔陶球及海棉状铁粉等。
按填料对摩擦材料性能的作用可将填料分为①增摩材料,大部分的莫氏硬度在3以上的无机填料和除铅铜以外的金属填料,如重晶石、硅灰石、萤石铁粉等。
②减摩材料,主要包括大部分莫氏硬度在3以下的无机材料,如二硫化钼、石墨、滑石、云母、炭黑、铜铅及其氧化物。
③机械性能增强材料,提高冲击强度,减小磨损率等,如腰果壳油摩擦粉、粉末橡胶、胺基酯等[16]。
些材料的应用不仅降低了摩擦材料的密度,而且也改善了它的多种性能,在摩擦材料中,不仅可改善材料的物理特性,而且还可以起到调节制动效果、减小制动噪音和降低产品成本的作用。
无机填料分为减磨填料与增磨填料,减磨填料主要用以降低摩擦因数、提高耐磨性和减少制动噪声等作用,如石墨、滑石、云母等。
增磨填料主要是耐热粉末材料,用以提高材料的物理与机械性能和增加摩擦力,如二氧化硅等。
金属填料有铜粉、铸铁粉、铝粉及锌粉等等,普遍具有高的吸热性,可以提高材料的热传导性,铜粉耐磨、易在偶件表面形成转移层,起到稳定摩擦因数的作用。
铁粉可以提高耐磨性,稳定摩擦因数,有机填料既可以以填料形式单独加入,也可以作为改性剂和树脂形成新型的粘结剂加入[17]。
1.2行业的发展前景及相关问题的提出
由于我国汽车工业的飞速发展,因而带动了汽车配件业的发展,无一例外,汽车摩擦材料的生产已成相当规模。
目前国内有众多的摩擦材料生产厂家,传统的生产加工方式会产生大量的磨削料残次品,据统计,磨削料约占总原料的10%左右,直接回收利用利用会严重影响摩擦材料的性能,不经处理直接投放于环境又会对环境造成严重污染,但若对这些磨削料加以研究进行回收再利用就不仅能大幅度减少污染,而且还能节约资源,降低成本,故研究意义重大。
1.3方案设计
通过先对磨削料进行过筛分离,将不同粒度的磨料分别加入一定的粘结剂制成成品摩擦片。
对其摩擦学各项性能指标(摩擦系数,磨损率,制动噪音,冲击强度,密度等项)进行检测,并和国家标准及同类不同组的实验样作对比。
分析各项性能,酌情设计改进配方方案,并制片测试,和国家标准对比,看是否达标。
若不达标,继续改进,直至设计出可用于实际生产的性价比相对较高的磨削料再利用配方,给厂方完成一个满意的答卷。
2实验部分
2.1药品试剂与仪器设备
2.1.1药品试剂
表2-1药品试剂的规格及来源
名称
简写或分子式
规格
来源
海泡石纤维
Sepiolite
2.5-3.0mm
河北省易县
钢棉
—
3.0mm
内乡龙鑫钢纤维制造有限公司
酚醛树脂
-【-C6H3(OH)-CH2—】n—
—
山东圣泉公司
石墨粉
—
—
天津市化学试剂厂
硫酸钡
BaSO4
分析纯
天津开发区海光化学制药厂
高岭土
—
工业级
天津市博迪化工有限公司
丁苯橡胶
—
分析纯
天津市博迪化工有限公司
碳酸钙
CaCO3
分析纯
天津市博迪化工有限公司
摩擦粉
纤维素纤维
磨削料
—
—
—
—
—
—
南平鑫星摩擦材料公司
柯恩纤维有限公司
句容宝亚摩擦材料公司
2.1.2仪器设备
(1)图2-1XD-MSM型定速式摩擦试验机
(2)图2-2侧板式平板硫化机(西安市裕华橡胶机械厂)
(3)图2-36202型粉碎机(北京环亚天元机械技术有限公司)
(4)图2-4洛氏硬度仪
(5)图2-5密度仪
(6)图2-6小型制样机
图2-1
图2-2图2-3
图2-4图2-5图2-6
2.1.3部分检测设备的工作原理
XD-MSM型定速摩擦磨损测试仪的构造及基本原理:
XD-MSM型试验机由三部分组成,即主机、强电控制柜、计算机测控系统。
计算机测控系统包括摩擦力、转数、温度检测和主电机、电加热、风机、水阀的控制等。
系统采用国产名牌计算机,配置为CPU1.8g/40G/128M/3D鼠标,含光驱、声卡等多媒体系统。
数据采集与控制采用进口和自行开发的数据测控卡,使系统具有无干扰、扩展力强、性能稳定等优点,WINDOWSXP平台下,采用可视化编程软件开发,软件的人机操作面友好,画面直观、大方、数据显示清晰明了。
控制柜下装有电气控制器,上部安装有摩擦力放大器、温度变送器、数据传感器和仪表信号处理端子板。
端子板上的线缆直接连到计算机,传感器信号经端子板将处理好的信号送至计算机。
计算机通过检测传感器信号
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