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CN101815801A - 变形镁合金 - Google Patents

变形镁合金 Download PDF

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CN101815801A
CN101815801A CN200880104238A CN200880104238A CN101815801A CN 101815801 A CN101815801 A CN 101815801A CN 200880104238 A CN200880104238 A CN 200880104238A CN 200880104238 A CN200880104238 A CN 200880104238A CN 101815801 A CN101815801 A CN 101815801A
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CN
China
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magnesium
alloy
based alloy
lanthanum
content
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Application number
CN200880104238A
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English (en)
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马修·罗伯特·巴尼特
克里斯托夫·乌韦·约翰·戴维斯
艾登·格雷姆·比尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cast CRC Ltd
Original Assignee
Cast CRC Ltd
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

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Abstract

一种镁基合金，以重量计包括：0.5％～1.5％的锰、0.05％～0.5％的其中超过70％是镧的稀土、0～1.5％的锌和0～0.1％的锶，并且除了附带的杂质之外，其余的是镁。

Description

变形镁合金
技术领域
本发明涉及一种镁合金，具体而言，涉及一种变形镁合金(可锻镁合金，wrought magnesium alloy)。变形合金是在浇铸之后具有被加工成一定形状或状态(晶态，condition)的潜力的一种合金。本发明还涉及一种生产变形镁合金制品的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种镁基合金，其以重量计包括(由以下组成，consist of)：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的镧，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带杂质(incidental impurity)之外，其余的是镁。
根据本发明的第二方面，提供了一种镁基合金，以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的其中超过70％是镧的稀土，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带的杂质之外，其余的是镁。
优选超过80％的稀土含量是镧，更优选超过90％。稀土含量可以是100％的镧，及极少量的任何附带杂质。
优选稀土含量为至少0.1，更优选至少0.2％，优选不超过0.4％，优选不超过0.3％。稀土含量可以为高于0.25％。
稀土含量可以作为“混合稀土(混合稀土金属，misch metal)”加入，其理解为包含一定量的至少两种稀土元素。
整个说明书中，“稀土”和“稀土元素”应该理解为意指任何原子序数在57(镧)～71(镥)之间的元素。
除了镧之外，稀土含量也可以包括铈。铈含量低于镧含量。
稀土含量也可以包括镨和/或钕，典型地仅仅是少量的(＜总稀土含量的5％)。
优选地，合金的镧含量为0.05％～0.5％，更优选至少0.09％，更优选至少0.1％，更优选至少0.15％，优选不超过0.4％，更优选不超过0.3％。合金的镧含量可以高于0.25％。
优选地，锰含量高于0.6％，更优选低于1.3％，更优选为0.7％～1.2％，而最优选为约1％。
锌是合金的一种可选成分，其可以加入以强化合金。当存在时，锌含量优选低于1.3％，更优选为0.2％～1.3％，更优选为0.2％～1.1％，更优选为0.4％～1.1％，而最优选为0.5％～1.0％。
附带杂质可以包括铝和硅。合金中铝的重量优选不高于0.03％。合金中硅的重量优选不高于0.03％。
锶是合金的一种可选成分，其可以加入以强化合金。当存在时，锶含量优选高于0.01％，优选不超过0.1％，更优选为约0.02％。
根据本发明的第三方面，提供了一种变形镁合金制品，其包含一定量的已经被一定形状或状态(或晶态)的根据本发明第一和第二方面的合金。
根据本发明的第四方面，提供了一种生产变形镁合金制品的方法，该方法包括以下步骤：
(a)在第一温度下将镁基合金的铸件加热第一时间段，
(b)冷却该铸件，和
(c)将该铸件加工成一定形状或状态(或晶态)。
步骤(c)可以包括铸件的挤出、锻造(forging)或任何其它类型的加工。
该方法还可以包括步骤：
(d)在步骤(b)之后且在步骤(c)之前，在第二温度下将所述铸件老化第二时间段。
优选地，第一温度为450℃～650℃，更优选540℃～580℃。
优选地，第一时间段为0.5～6h，更优选1～5h。
优选地，第二温度为300℃～400℃，更优选325℃～375℃。
优选地，第二时间段为2～24h，更优选5～16h。
根据本发明的第五方面，提供了一种生产变形镁合金制品的方法，该方法包括以下步骤：
(a)在第一温度下将镁基合金的加工铸件加热第一时间段，
(b)冷却所加工的铸件，和
(c)将铸件再加工成一定形状或状态。
步骤(c)可以包括铸件的挤出、锻造或任何其它类型的加工。
该方法还可以包括步骤：
(d)在步骤(b)之后且在步骤(c)之前，在第二温度下将该加工的铸件老化第二时间段。
优选地，第一温度为450℃～650℃，更优选540℃～580℃。
优选地，第一时间段为6～20h，更优选8～14h，最优选12h。
优选地，第二温度为300℃～400℃，更优选325℃～375℃。
优选地，第二时间段为2～24h，优选5～16h。
以下实施方式可以结合到本发明的第四或第五方面中：
优选地，镁基合金可以是经受(适于，amenable to)沉淀(或脱溶，precipitation)的任何镁基合金。
在一个实施方式中，镁基合金可以是根据本发明的第一或第二方面的合金。
在另一个实施方式中，镁基合金以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的稀土，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带杂质之外，其余的是镁。
优选地，稀土含量为0.1％～0.5％，更优选0.2％～0.5％，更优选0.3％～0.5％，最优选为约0.4％。
在一个实施方式中，稀土含量以“混合稀土”进行提供。
优选地，稀土含量至少包括镧。
优选地，稀土含量还包括铈。
具体实施方式
许多根据本发明实施方式的合金通过重力浇铸成2kg的坯段(中小型坯，billet)。然而，应该注意，也可以采用其它合适的浇铸法如直接激冷铸造。下表1列出了制备的镁合金的金属含量(content)。
表1-制备的合金
  合金   锰(wt％)   镧(wt％)   锌(wt％)
  A   1.0   0.2   -
  B   1.0   0.2   0.5
  C   1.0   0.1   -
  D   1.0   0.3   -
  E   1.0   0.1   0.5
  F   1.0   0.3   0.5
  G   1.0   0.2   1.0
在A～G的每一种合金中，除了附带杂质之外，其余由镁组成。经过化学分析，在所有合金中发现杂质包括约0.01wt％的铝和低于0.002wt％的铁。
图1A和1B示出了合金A和B作为铸件的微结构。合金B，其含有0.5wt％的锌，比合金A具有更小的晶粒，而合金A不含锌但是含有相同量的镁和镧。
合金A和B的样品随后在经过固溶预处理(其中样品在约580℃下加热约1h)之后被挤出。样品在不同坯段温度和滑块速度(ramspeed，即合金以mm/s计被挤出的速度)下挤出以建立这些合金的挤出限(extrusion limit)。合金的挤出限理解为合金可以被令人满意地挤出的速度和温度的界限。在高坯段温度下，如果滑块速度太高，则在挤出的合金中就可能出现开裂。而且，在低温下，合金可以被挤出的最大滑块速度受限于挤出压力的负载容量，使得在某个低温下，合金根本就是不可挤出的。
图2A和2B是合金A和B的挤出限曲线图。注意到，合金A具有比合金B更宽的挤出限。因此看起来加入0.5％的锌(合金B)使合金的挤出限变窄。然而，对于所有合金A和B，图2A和2B证实了它们可以在高速和高温下被令人满意地挤出。例如，图3示出了对于许多工业上常见合金AZ31、ZK60、AZ61和ZM21的挤出界限窗(extrusion limit window)，其具有以下的标定组成：
表2
Figure GPA00001035046300061
由图3可以看出，合金A和B能够有利地与工业合金媲美，尤其是最常使用的AZ31。
加入镧对于合金的可挤出性的影响也通过制备和挤出合金H而进行考虑，这种合金H含有(以重量计)1％锰、0.2％作为混合稀土的稀土(由0.13％的铈和0.07％的镧组成)，其中除了附带杂质外，其余的为镁。图4提供了将合金H与合金A比较的挤出限。图4证明了合金A与合金H相比具有改善的可挤出性。不希望受限于理论，认为合金A(与合金H相比)的改善的可挤出性是由于镧的加入没有降低固相线温度(solidus temperature)，也没有如同主要由铈组成的混合稀土的加入一样提高热加工流动压力。
发现合金A(至少)具有拉伸的屈服应力(条件屈服极限，proofstress)为约160～200MPa和压缩的屈服应力为110MPa，这可以通过合金的老化而得到改善。注意到，拉伸的屈服应力依赖于合金的固溶温度和晶粒尺寸。
合金A和B的晶粒尺寸也对于不同坯段温度以15mm/s的滑块速度挤出(合金在挤出前要已经历过固溶处理)之后进行测定。发现在较低的挤出温度下获得较低的晶粒尺寸。
合金A～F的样品铸件也在铸件坯段的预处理之后以15mm/s的滑块速度和375℃下挤出。实施不同的预处理并测定挤出合金的晶粒尺寸。每一个预处理首先涉及固溶步骤，其中铸件在500～580℃的温度下加热。一些预处理进一步涉及老化步骤，其中在淬火经加热的铸件之后，铸件进一步在较低的温度(约350℃)下加热。下表3提供了实施的预处理的细节，以及所得的挤出合金的晶粒尺寸。
表3-已经过预处理的挤出合金的晶粒尺寸
合金 固溶温度 固溶时间 老化温度 老化时间   晶粒尺寸(μm)
  A   580℃   1h   350℃   8h   7.7
  A   550℃   1h   -   -   7.3
  A   500℃   1h   -   -   8.5
  A   580℃   1h   -   -   11.4
  A   580℃   4h   -   -   5.6
  B   580℃   1h   350℃   8h   5.8
  B   550℃   1h   -   -   10.6
  B   500℃   1h   -   -   11.7
  B   580℃   1h   -   -   14.1
  B   580℃   4h   -   -   7.6
  C   580℃   4h   -   -   9.7
  C   580℃   4h   350℃   8h   8.6
  D   580℃   4h   -   -   8.3
  D   580℃   4h   350℃   8h   8.3
  E   580℃   4h   -   -   7.5
  E   580℃   4h   350℃   8h   8.8
  F   580℃   4h   -   -   7.4
  F   580℃   4h   350℃   8h   7.4
参照表3，可以注意到，对于合金A和B，较长的均匀化时间(即，在固溶温度下所花的时间)看起来导致在挤出的合金中产生更精细的晶粒尺寸。还注意到，锌的加入(合金B)看起来使得该合金对挤出前的老化敏感，使得可以通过老化还含有锌的镁-锰-镧合金而获得更精细的晶粒尺寸。
合金A的变形和退火行为被进一步评价。样品由合金A的挤出物进行机加工，其中合金A的挤出物在挤出前经受预处理，涉及固溶和老化或仅仅固溶。压缩试验在350℃的温度和0.1s-1的变形速度(应变速率，strain rate)下实施。样品被变形至1.5的等效应变，之后，在水淬火之前，样品在变形温度下保持1s～1000s的时间。
在采用变形和退火条件之后，在合金中没有观察到晶粒尺寸的显著变化。在所有样品中，无论在挤出前合金是否经过预处理，都发现具有约6～7μm的平均晶粒尺寸。通过对比方式，图5示出了在350℃、1.5的压缩应变下，接着在相同温度下退火之后，合金A对AZ31的微结构的稳定性。正如图5中所见，在1000s的退火之后，AZ31晶粒尺寸从6μm增加到25μm，而合金A的晶粒尺寸在该时间期间总体保持不变。不期望受到理论的束缚，应该理解到，合金A维持精细晶粒尺寸的能力是由于镧加入所致，因为镧限制了在重结晶期间晶粒边界的迁移率。该合金的晶粒尺寸的稳定性意味着，当其在高温下加工(即挤出或锻造)时，在缓慢冷却和/或随后的淬火期间仍维持小的晶粒尺寸。通过比较，当合金A和AZ31都在相同条件(坯段温度370℃，挤出速度6m/min)下挤出时，在AZ31中形成的平均晶粒尺寸超过了合金A的3倍(23μm对比于7μm)。这也能够在图6的对比显微照片中所示的微结构看到。然而，一般而言，这证明了镧有利地减小了合金的晶粒尺寸。
合金A的预处理的作用进一步通过测定该合金在增加时间和在460～580℃的温度下的热处理期间的电阻率而进行研究。一般而言，应该理解到，电阻率在沉淀(或脱溶)(在较低温度下)期间将会降低并且随着沉淀溶解(在较高温度下)将会升高。图7示出了在各个温度下对于热处理时间增加的电阻率变化。从图7可以看出，电阻率在中等温度下保持相当恒定，但是在580℃时增大，可能是由于沉淀溶解所致；以及在460℃时降低，可能是由于沉淀和/或由于在浇铸的合金中已经存在的沉淀晶粒长大所致。
为了确定对于电阻率的这些结果是否指示在合金中重要微结构变化，将合金A的坯段在580℃和460℃下加热1h和4h的时间，然后在375℃下以15mm/s的速率挤出。下表4列出了相比于在相同条件下挤出的原铸(as-cast，铸出后不加工保留黑皮)坯段(即未进行热处理)的所得晶粒尺寸和拉伸伸长率(均匀和总体)。
表4
合金 固溶温度 固溶时间   晶粒尺寸(μm)   均匀伸长率(％)   总体伸长率(％)
  A   -   -   10.6   8.3   13.2
  A   460℃   1h   13.9   9.0   13.6
  A   460℃   4h   16.5   8.9   12.2
  A   580℃   1h   9.2   11.5   18.6
  A   580℃   4h   11.1   10   15.9
如表4所示，在580℃下的固溶处理(加热时间为1h时)相对于未处理的坯段的确产生了稍微更小的晶粒尺寸。然而，在460℃下的固溶处理产生了更大的挤出晶粒尺寸。不期望受限于理论，认为这是由于在460℃时发生颗粒沉淀(或脱溶)，在固溶体中留下较少的镧来抑制晶粒长大。还注意到，在580℃下的固溶处理增强了未处理合金的拉伸延展性，而在460℃下的处理对延展性具有很小影响或没有影响。
固溶处理(solution treatment)对挤出的合金的影响(相对于原铸合金)接着通过第二次挤出步骤，也进行了研究。电阻率测定在合金A的变形坯段经过在580℃的增加时间的固溶处理之后实施。坯段由合金A的工业级挤出棒进行机加工。图8示出了对于增加固溶处理时间的电阻率变化。如图8所示，电阻率对于高达12h的固溶处理时间增加，之后，其基本为常数。因此，与原铸合金相比，对于已经被挤出的合金看起来需要更长的固溶处理时间。固溶处理的坯段随后在375℃以15mm/s挤出。下表5列出了对于这些坯段的晶粒尺寸。
表5
合金 固溶温度 固溶时间   晶粒大小(μm)
  A   580℃   4hr   11.9
  A   580℃   8hr   8.1
  A   580℃   12hr   7.6
  A   580℃   24hr   7.2
从表5能够看出，随着固溶处理时间增加，挤出的晶粒尺寸降低。
还制备了合金以确定加入锶对合金的影响。所制备的合金含有(以重量计)1.0％锰、0.2％镧和0.02％或0.04％的锶，除附带杂质之外，其余的为镁。这些合金在375℃下以15mm/s速率挤出，并检测所挤出的合金的晶粒尺寸和机械性能。下表6列出了相比于合金A(含1.0％的锰，0.2％的镧，0％的锶，其余为镁)的这些性能。
表6
  锶(wt％)   晶粒尺寸(m)   屈服强度(MPa)   拉伸强度(MPa)
  0   5.6   161   251
  0.02   5.8   203   259
  0.04   8.6   165   245
如表6中所示，对于0.02％的锶加入观察到强化作用，而对于0.04％的锶加入没有观察到这种作用。
其它镁基合金在挤出前的预处理也进行了试验。在一个试验中，镁-锰-稀土合金(合金I)的样品利用不同固溶和老化工艺进行预处理。合金I含有1wt％锰、0.27wt％铈和0.13wt％镧，除附带杂质之外其余为镁。铈和镧作为“混合稀土”加入合金I中。发现在挤出之前固溶以及固溶和老化这种合金都会导致挤出的合金具有更精细的晶粒尺寸。下表7示出了该试验的结果。
表7-已经过预处理的挤出的合金的晶粒尺寸
  合金   固溶温度   固溶时间   老化温度   老化时间   晶粒尺寸(μm)
  I   580℃   1h   350℃   8h   6.6
  I   550℃   1h   -   -   9.0
  I   500℃   1h   -   -   10.1
  I   580℃   1h   -   -   10.0
  I   580℃   4h   -   -   7.5
还进行了试验以研究铝和硅对变形镁合金的影响。铝和硅在任何这样的合金中是附带杂质。制备由1.0％锰和0.2％镧组成的镁基合金，其中具有按照下表8中所列的不同含量的铝和硅，并在375℃下以15mm/s挤出。
表8
  铝(wt％)   硅(wt％)  晶粒尺寸(μm)   均匀伸长率(％)   总体伸长率(％)
  0.01   0.03  5.6   13.7   29.8
  0.01   0.08  10.8   12.2   21.0
  0.03   -  7.9   11.3   16.6
  0.045   -  7.3   12.4   21.2
  0.06   -  7.4   11.7   15.5
  0.5   -  47.6   4.7   6.4
由表8可以看出，发现铝和硅对合金的晶粒尺寸和延展性具有不良影响。不期望受到理论束缚，应该理解到，由铝和硅引起的不良影响是由于铝和硅二者都分别易于形成Mg-Al-La和Mn-Si-La颗粒，这至少是部分造成晶粒尺寸增加的原因，因为一部分镧含量在这种颗粒中被耗光。
已经发现，向合金中加入锶的额外益处在于，它抑制了铝的有害作用。例如，制备含(以重量计)1.0％的锰、0.2％的镧、0.5％的铝、0.04％的锶，以及除附带杂质外，其余为镁的合金，并在375℃下以15mm/s挤出。发现这种合金的晶粒尺寸为7.4μm，均匀伸长率为12.1％，而总伸长率为19.6％。这有益地赶超含有0.5％铝和0％锶的合金，其性能列于上表8。
在所附权利要求和本发明前面的描述中，除了上下文其他由于表述语言或必要的隐含之意需要的情况外，术语“包含”或变体如“含有”或“包括”以包括在内之意使用，即指明在本发明各个实施方式中存在所描述的特征，，但是不排除存在或加入其它的特征。

Claims (30)

1.一种镁基合金，以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的其中超过70％是镧的稀土，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带杂质之外，其余的是镁。
2.根据权利要求1所述的镁基合金，其中，超过80％的所述稀土含量是镧。
3.根据权利要求1所述的镁基合金，其中，超过90％的所述稀土含量是镧。
4.根据权利要求1所述的镁基合金，其中，100％的所述稀土含量是镧，及极少量的任何附带杂质。
5.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述合金包括0.1％～0.3％的稀土。
6.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述合金含有高于0.25％的稀土。
7.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述合金的镧含量为至少0.09％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述合金的镧含量为0.1％～0.3％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述合金的镧含量高于0.25％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述锰含量高于0.6％且低于1.3％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述锌含量为0.2％～1.3％。
12.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述锶含量高于0.01％。
13.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述锶含量为约0.02％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述附带杂质包括不高于所述合金的0.03％的铝。
15.根据前述权利要求中任一项所述的镁基合金，其中，所述附带杂质包括不高于所述合金的0.03％的硅。
16.一种镁基合金，以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的镧，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带杂质之外，其余的是镁。
17.一种镁基合金，以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的其中超过70％是镧的稀土，
0～1.5％的锌，
0～0.1％的锶，
不高于0.03％的铝，和
不高于0.03％的硅，
并且除了附带杂质之外，其余的是镁。
18.一种变形镁合金制品，包含一定量的根据前述权利要求中任一项所述的合金，其已被加工成一定形状或状态。
19.一种生产变形镁合金制品的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在第一温度下将镁基合金的铸件加热第一时间段，
(b)冷却所述铸件，和
(c)将所述铸件加工成一定形状或状态。
20.一种生产变形镁合金制品的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在第一温度下将镁基合金的加工的铸件加热第一时间段；
(b)冷却所述加工的铸件；和
(c)将所述铸件再加工成一定形状或状态。
21.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：
(d)在步骤(b)之后且在步骤(c)之前，在第二温度下将所述铸件老化第二时间段。
22.根据权利要求19～21中任一项所述的方法，其中，所述第一温度为450℃～650℃。
23.根据权利要求19～21中任一项所述的方法，其中，所述第一温度为540℃～580℃。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一时间段为0.5～6h。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一时间段为6～20h。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二温度为300℃～400℃。
27.根据权利要求21或26中任一项所述的方法，其中，所述第二时间段为2～24h。
28.根据权利要求19～27中任一项所述的方法，其中，所述镁基合金是经受沉淀的任何镁基合金。
29.根据权利要求19～27中任一项所述的方法，其中，所述镁基合金是根据权利要求1～17中任一项所述的合金。
30.根据权利要求19～27中任一项所述的方法，其中，所述镁基合金以重量计包括：
0.5％～1.5％的锰，
0.05％～0.5％的稀土，
0～1.5％的锌，和
0～0.1％的锶，
并且除了附带杂质之外，其余的是镁。
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