Für viele allgemeine technische Teile, die eine ausgewogene Kombination aus Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit erfordern, AISI 4140 ist die vielseitigere und weit verbreitete Wahl. Wenn eine höhere Festigkeit, eine bessere Härtbarkeit und eine etwas höhere Härte im vergüteten oder angelassenen Zustand im Vordergrund stehen, z. B. bei Wellen mit großem Durchmesser, Komponenten für die Ölförderung im Bohrloch und Hochleistungsschmiedeteile. AISI 4145 (und seine modifizierten Varianten mit höherem Kohlenstoffgehalt) häufig die bevorzugte Option. Die beiden Legierungen sind eng verwandte Chrom-Molybdän-Stähle, aber kleine Unterschiede im Kohlenstoffgehalt und in der Verarbeitung führen zu deutlichen Leistungsunterschieden, die bei der Materialauswahl berücksichtigt werden sollten.
Schneller technischer Überblick und Vergleich der Führungskräfte
Sowohl AISI 4140 als auch AISI 4145 gehören zur AISI/SAE 4000-Reihe von niedrig legierten Chrom-Molybdän-Stählen. Sie haben die gleichen Hauptlegierungselemente (Cr, Mo, Mn, Si), so dass die Grundmetallurgie ähnlich ist, aber 4145 weist in der Regel einen höheren nominalen Kohlenstoffgehalt auf. als herkömmliche 4140-Zusammensetzungen. Der höhere Kohlenstoffgehalt erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit auf Kosten einer geringfügigen Verringerung der Zähigkeit und manchmal der Bearbeitbarkeit. In der Praxis bedeutet dies, dass 4145 bei einem gegebenen Abschreck- und Anlaßprogramm höhere Durchhärtungsgrade erreichen kann, was für große Querschnitte und hochbeanspruchte Teile von Vorteil ist.
Chemische Zusammensetzung (typische Bereiche und deren Bedeutung)
Nachstehend sind die allgemein angegebenen Nennzusammensetzungen für die beiden Sorten aufgeführt. Beachten Sie, dass die Hersteller leicht abweichende Analysen liefern können, und dass es Standards oder "modifizierte" Varianten geben kann (z. B. 4145H, 4145M). Die genaue chemische Zusammensetzung für jede gekaufte Partie ist in den Werkszeugnissen nachzulesen.
Typische chemische Zusammensetzung (Nennbereiche, wt%)
| Element | AISI 4140 (typisch) | AISI 4145 (typisch) |
|---|---|---|
| Kohlenstoff (C) | 0.38 - 0.43 | 0.43 - 0.48 |
| Chrom (Cr) | 0.80 - 1.10 | 0.80 - 1.10 |
| Molybdän (Mo) | 0.15 - 0.25 | 0.15 - 0.25 |
| Mangan (Mn) | 0.60 - 1.00 | 0.75 - 1.00 |
| Silizium (Si) | 0.15 - 0.35 | 0.15 - 0.30 |
| Schwefel (S) | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| Phosphor (P) | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Eisen (Fe) | Bilanz | Bilanz |
Der wichtigste Unterschied ist das Kohlenstofffenster. Höherer Kohlenstoff erhöht die Zugfestigkeit und die potenzielle Härte nach dem Vergüten; er erhöht auch die Härtbarkeit geringfügig und verringert die zum Erreichen einer Zielhärte erforderliche Querschnittsgröße. Diese Eigenschaft ist der Grund, warum 4145-Varianten häufig für Teile mit größerem Durchmesser und schwere Schmiedeteile gewählt werden.
Mechanische Eigenschaften und Mikrogefüge nach der Wärmebehandlung
Die mechanischen Werte variieren je nach Wärmebehandlung, Querschnittsgröße und Verarbeitung durch den Lieferanten. Die unten aufgeführten typischen Bereiche sollten nur als Anhaltspunkt dienen; verlangen Sie immer Werksprüfberichte und führen Sie bei kritischen Teilen Abnahmeprüfungen durch.
Repräsentative mechanische Eigenschaften (vergüteter Zustand, indikative Bereiche)
| Eigentum | AISI 4140 (QT typisch) | AISI 4145 (QT typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 750 - 1.350 (je nach Temperament) | 800 - 1,500 |
| Streckgrenze (0,2% Offset, MPa) | ~500 - 1,200 | ~550 - 1,250 |
| Dehnung (%) | 10 - 20 | 8 - 18 |
| Verkleinerung der Fläche (%) | 30 - 60 | 25 - 55 |
| Härte (HRC nach dem Härten/Vergüten) | 20 - 60 (großer Bereich) | 25 - 62 (kann in großen Abschnitten einen höheren HRC-Wert erreichen) |
Gefüge: Nach dem Austenitisieren und Schnellabschrecken bilden beide Stähle Martensit mit Karbidrückständen, je nach Abkühlgeschwindigkeit. Das Anlassen verringert die Härte und verbessert die Zähigkeit durch Karbidausscheidungen und Anlaßumwandlungen. Da 4145 tendenziell einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweist, ist die martensitische Härte bei einer bestimmten Anlasstemperatur höher als bei 4140.
Härtbarkeit, Wärmebehandlungsverfahren und Verarbeitungshinweise
Härtbarkeit
Die Härtbarkeit beschreibt die Fähigkeit des Stahls, während des Abschreckens Martensit in einem Abschnitt zu bilden. Der etwas höhere Kohlenstoffgehalt von 4145 erhöht die Härtbarkeit und die erreichbare Härte in der Tiefe. Für große Abschnitte, bei denen ein tiefer Härteeinsatz erforderlich ist (Wellen, Komponenten von Bohrlochwerkzeugen), ist diese Eigenschaft oft entscheidend.
Typische Wärmebehandlungsfenster
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Austenitisieren (allgemein): 800 - 860°C (1475 - 1580°F) je nach Profilgröße und Empfehlung des Lieferanten.
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Abschreckendes Medium: Ölabschreckung ist für beide Legierungen üblich; bei dünnen Abschnitten oder wenn der Verzug minimiert werden muss, wird manchmal Polymerabschreckung oder kontrollierte Gaskühlung verwendet.
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Temperament: Die Anlasstemperatur wird so gewählt, dass der angestrebte Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit erreicht wird (z. B. 200-650 °C). Höheres Anlassen verringert die Festigkeit, erhöht aber die Zähigkeit. 4145 erfordert oft ein sorgfältiges Anlassen, um in bestimmten Temperaturbereichen für kritische Anwendungen eine Versprödung zu vermeiden.
Praktischer Hinweis: Da 4145 häufig in der Öl- und Gasindustrie sowie in der Schwermaschinenindustrie verwendet wird, liefern die Lieferanten den Stahl häufig im vergüteten Zustand mit der angegebenen Härte. Typische Härtebereiche für 4145 liegen bei 30-36 HRC für einige Bohrlochstähle, obwohl bei Bedarf auch höhere Härtegrade verarbeitet werden können.
Produktformen, Lieferbedingungen und Normen
Gemeinsame Lieferformen:
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Rundstäbe (geschliffen, gedreht oder geschmiedet)
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Schmiedestücke und Knüppel für Wellen und Kupplungen
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Rohre und Ummantelungen für bestimmte Spezialanwendungen
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Flache Bleche und Stangenmaterial in einigen Walzwerken
Zu den gängigen Normen und Spezifikationen, die auf diese Sorten verweisen, gehören SAE/AISI-Listen, verschiedene ASTM-Referenzen für Rohre und Verkleidungen sowie Ölfeld-Materialspezifikationen für Bohrlochkomponenten. In einigen Bereichen wird auch auf modifizierte Formen (4145H, 4145M) verwiesen, bei denen die Chemie oder die Verarbeitung für eine verbesserte Leistung angepasst wird. Die Lieferanten geben oft UNS-Nummern an: 4140 → UNS G41400, 4145 → UNS G41450.
Überlegungen zum Schweißen, zur Bearbeitung und zur Oberflächenbehandlung
Schweißen
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Es wird empfohlen, vor dem Schweißen vorzuwärmen, um thermische Gradienten zu reduzieren und Rissbildung zu verhindern, insbesondere bei 4145 aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts und der Härtbarkeit. Typische Vorwärmung: 150-300°C je nach Dicke und Verbindungsdesign. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann bei hochfesten oder kritischen Bauteilen vorgeschrieben sein.
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Verwenden Sie wasserstoffarme Zusatzwerkstoffe und befolgen Sie die zugelassenen Schweißverfahren. Beim Schweißen im vergüteten Zustand kann eine PWHT die Zähigkeit wiederherstellen.
Bearbeitung
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Beide Stähle lassen sich im geglühten Zustand recht gut bearbeiten; die Bearbeitbarkeit nimmt mit höherer Härte ab. Der etwas höhere Kohlenstoffgehalt von 4145 kann die Bearbeitung von Material mit hoher Härte schwieriger machen. Geeignete Werkzeuge, Kühlmittel und Geschwindigkeiten sind unerlässlich.
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Wenn nach dem Abschrecken und Anlassen eine genaue Maßkontrolle erforderlich ist, können Sie die Werkstücke auf das zulässige Maß vorbearbeiten, wärmebehandeln und dann die Endbearbeitung durchführen.
Oberflächenbehandlungen
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Diese Chrom-Molybdän-Basislegierungen werden im Allgemeinen nicht aufgekohlt, sondern durch Durchhärtung gehärtet. Typische Oberflächenbehandlungen sind Nitrieren (für bestimmte Einsatzbedingungen), Kugelstrahlen, Induktionshärten für lokale Verschleißflächen und Beschichtungen für den Korrosionsschutz, falls erforderlich.
Anwendungsbezogene Auswahl - wann sollte man 4140 oder 4145 wählen?
Wählen Sie AISI 4140, wenn:
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Das Bauteil erfordert eine ausgewogene Kombination aus Zähigkeit und Duktilität bei mittlerer bis hoher Festigkeit.
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Bearbeitbarkeit und Kosteneffizienz bei der Endbearbeitung stehen im Vordergrund.
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Bauteile sind dynamischen Belastungen, Ermüdung oder Torsionsbelastungen ausgesetzt (Wellen, Zahnräder, Spindeln, Befestigungselemente in vielen Branchen).
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Sie bevorzugen eine weitgehend standardisierte, weithin verfügbare Sorte mit vielen Lieferformen und etablierten Bearbeitungs-/Wärmebehandlungsverfahren.
Wählen Sie AISI 4145, wenn:
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Eine höhere Härtbarkeit und eine etwas höhere erreichbare Härte sind insbesondere bei großen Querschnitten erforderlich.
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Der Einsatz umfasst anhaltend hohe statische Belastungen oder Verschleiß, bei denen ein zäheres, höherfestes Gefüge nach dem Abschrecken/Vergüten von Vorteil ist (hochbelastete Wellen, Komponenten für Ölbohrungen, Bohrlochwerkzeuge).
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Ein Anbieter bietet 4145 mit angepasster Wärmebehandlung und Zertifizierung für eine Öl- und Gasspezifikation oder Schmiedeanwendung an.
Qualitätskontrolle, Prüfung und Inspektion
Für kritische Komponenten ist eine Überprüfung erforderlich:
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Zertifikate für Mühlen mit aktueller chemischer Analyse.
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Härtekarten Querschnitte nach der Wärmebehandlung (Überprüfung des Ziel-HRC oder -HB).
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Zug- und Schlagversuche (Charpy V-Kerbe) bei entsprechenden Temperaturen für den dynamischen Betrieb.
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Zerstörungsfreie Prüfung (UT, MPI) für Schmiedestücke und geschweißte Baugruppen.
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Metallographische Kontrollen um die Korngröße, die Verteilung des angelassenen Martensits und das Nichtvorhandensein kritischer Defekte wie übermäßige Einschlüsse oder Seigerungen zu bestätigen.
Für den Einsatz in Öl- und Gasbohrlöchern können in der Projektspezifikation zusätzliche Ermüdungs- oder bruchmechanische Tests vorgeschrieben sein.
Seite-an-Seite-Vergleichstabellen
Zusammenfassender Vergleich (Entscheidungsmatrix)
| Kriterium | AISI 4140 | AISI 4145 |
|---|---|---|
| Typischer Kohlenstoff | Mäßig (0,38-0,43) | Geringfügig höher (0,43-0,48) |
| Härtbarkeit | Gut | Besser (nützlich für große Abschnitte) |
| Zähigkeit | Etwas höher | Geringfügig niedriger bei vergleichbarer Härte |
| Bearbeitbarkeit (geglüht) | Gut | Gut (aber härtere Sorten, die schwerer zu bearbeiten sind) |
| Typische Anwendungen | Wellen, Zahnräder, Stifte, allgemeiner Maschinenbau | Schwere Wellen, Bohrwerkzeuge, große Schmiedeteile |
| Kontrolle der Wärmebehandlung | Gut eingeführt | Erfordert für einige Verwendungszwecke eine sorgfältige Temperierung |
| Verfügbarkeit | Sehr weit verbreitet | Weithin verfügbar; viele Mühlen bieten Varianten an |
Typische Hinweise zur Wärmebehandlung (Kurzübersicht)
| Prozess-Schritt | 4140 typisch | 4145 typisch |
|---|---|---|
| Austenitisieren | 800-860°C | 800-860°C |
| Abschrecken | Öl (üblicherweise) | Öl (in der Regel); größere Abschnitte müssen sorgfältig abgeschreckt werden) |
| Temperament | 200-650°C je nach Zielhärte | 200-650°C; bei Bedarf höhere Temperatur wählen, um die Zähigkeit wiederherzustellen |
Praktische Checkliste für die Auswahl
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Bestätigen Sie erforderliche Härte und ob diese Härte durch die Dicke erreicht werden muss.
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Überprüfung GestaltungsquerschnittGroße Abschnitte begünstigen eine höhere Härtbarkeit.
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Definieren Sie DienstlasttypDynamische Ermüdung und Schlagbeanspruchung begünstigen die Zähigkeit von 4140; statische oder verschleißintensive Belastungen können die Festigkeit von 4145 begünstigen.
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Fragen Sie den Lieferanten nach Werkszeugnis mit Aufzeichnungen über Chemie und Wärmebehandlung.
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Wenn geschweißt wird, sind folgende Angaben zu machen Vorheizen/PWHT-Anforderungen in Zeichnungen.
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Für kritische Teile sind Charpy-Schlagversuche bei der erwarteten Betriebstemperatur erforderlich.
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Für die Öl- und Gasindustrie: Bestätigung der Einhaltung der einschlägigen Branchenspezifikationen und der Rückverfolgbarkeit.
FAQs
F1: Sind 4140 und 4145 austauschbar?
Kurze Antwort: Sie sind ähnlich und bei unkritischen Teilen manchmal austauschbar, aber sie sind nicht identisch. Bei kritischen Bauteilen sollten Sie vor dem Austausch die chemischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Wärmebehandlungszertifikate prüfen.
F2: Welche Sorte ist im Zugversuch stärker?
Bei vergleichbaren Anlaßbedingungen erreicht 4145 aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts tendenziell eine etwas höhere Zugfestigkeit, obwohl die tatsächliche Festigkeit stark vom Anlassen, Abschrecken und der Querschnittsgröße abhängt.
F3: Welche Sorte ist besser für Wellen mit großem Durchmesser geeignet?
4145 wird häufig bevorzugt, wenn eine hohe Härte und Festigkeit über große Abschnitte erforderlich ist, da es eine bessere Härtbarkeit bietet.
F4: Ist ein Stahl leichter zu schweißen?
4140 gilt wegen seines geringfügig niedrigeren Kohlenstoffgehalts allgemein als etwas leichter zu schweißen. Mit Vorwärmung und geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen können beide Werkstoffe geschweißt werden, aber in kritischen Fällen kann eine PWHT erforderlich sein.
F5: Können beide Sorten im selben Ofenzyklus wärmebehandelt werden?
Ja, sie haben ähnliche Austenitisierungstemperaturen, aber die Steuerung des Anlassens und Abschreckens sollte für die jeweilige Sorte und die Querschnittsgröße angepasst werden, um die Zieleigenschaften zu erreichen.
F6: Welche Sorte wird häufiger für Automobilteile verwendet?
4140 wird aufgrund seiner guten Kombination von Eigenschaften und Kosteneffizienz häufig für Automobilkomponenten wie Zahnräder, Wellen und Befestigungselemente verwendet.
F7: Wird 4145 in Öl- und Gasanwendungen verwendet?
Ja, 4145 und seine modifizierten Varianten werden wegen ihrer höheren Festigkeit und Härtbarkeit häufig für Bohrloch- und Bohrwerkzeuge verwendet; viele Lieferanten stellen für Ölfelder zertifizierte 4145-Varianten her.
F8: Was sind häufige Fehlerarten, auf die man achten sollte?
Bei hochfesten Teilen mit hoher Härte sind Sprödbruch, Anlassversprödung, wasserstoffunterstützte Rissbildung in geschweißten Bereichen und Ermüdung an der Oberfläche oder unter der Oberfläche die Hauptprobleme. Geeignete Prüfungen und Konstruktionsspannen sind unerlässlich.
F9: Gibt es standardisierte Entsprechungen in EN oder anderen Systemen?
Ja, 4140 entspricht weitgehend der Norm EN 42CrMo4/1.7225. Genaue Entsprechungen erfordern einen Querverweis auf der Grundlage der Zusammensetzung und der erforderlichen mechanischen Eigenschaften.
F10: Wie sollte ich das Material in einer Zeichnung angeben?
Geben Sie die genaue Sorte (AISI 4140 oder AISI 4145), den erforderlichen Wärmebehandlungszustand (z. B. QT bis 40-45 HRC), die erforderlichen Prüfungen (UT, Härtekartierung, Charpy, Zug) und die Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit bzw. das Werkszertifikat an. Gegebenenfalls sind Schweißanweisungen beizufügen.
Prüf- und Inspektionscheckliste für Bestellungen
Bei der Erstellung der Auftragsbestätigung oder der technischen Spezifikation ist dies erforderlich:
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Werksbescheinigung mit vollständiger chemischer Analyse und Wärmebehandlungsprotokoll.
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Härteprüfung im gesamten Querschnitt (mindestens drei Punkte bei Wellen).
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Vorgeschriebene mechanische Prüfungen (Zugversuch bei Raumtemperatur, Charpy V-Kerbe bei dynamischem Betrieb).
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NDT für große Schmiedestücke und kritische Teile.
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Rückverfolgbarkeit bis zu Hitze und Charge.
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Etwaige branchenspezifische Zertifikate für Öl und Gas (falls zutreffend).
Praktische Fallbeispiele
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Hochbelastbare Antriebswelle (Industriekran): Wählen Sie 4145, wenn die Konstruktion eine tiefere Durchhärtung erfordert, um dem Verschleiß an den Lagern und hohen Kontaktspannungen zu widerstehen. Das endgültige Anlassen muss ausgewogen sein, um eine ausreichende Zähigkeit zu erhalten.
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Hochgeschwindigkeitsspindel (Werkzeugmaschine): Wählen Sie 4140, wenn hohe Zähigkeit, Dimensionsstabilität nach der Wärmebehandlung und dynamische Ermüdungsfestigkeit wichtig sind.
Abschließende Empfehlungen
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Betrachten Sie die Auswahl als eine Systementscheidung: Materialchemie, Profilgröße, Wärmebehandlungsfähigkeit und geplante Qualitätskontrolle bilden eine einzige Entscheidungskette.
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Bitten Sie das Werk um repräsentative Daten zu den mechanischen Eigenschaften für die von Ihnen gewünschte Wärmebehandlung und den gewünschten Querschnitt. Verlassen Sie sich nicht nur auf die veröffentlichten Nennwerte.
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Bei einsatzkritischen Bauteilen sind eine vollständige zerstörungsfreie Prüfung und mechanische Tests erforderlich, und es ist eine Finite-Elemente-Analyse der Eigenspannungen und der erwarteten Ermüdungslebensdauer in Betracht zu ziehen.
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Wenn die Möglichkeiten der Wärmebehandlung vor Ort begrenzt sind, beschaffen Sie Material, das bereits im spezifizierten vergüteten Zustand geliefert wurde, mit verifizierten Zertifikaten.
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