涂層刀具及其合理使用

發(fā)布日期:2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽:4882

  涂層刀具有效地解決了刀具材料的硬度和耐磨性愈高而強(qiáng)度和韌性愈低的矛盾。本文就涂層方法、涂層材料、涂前刀具處理以及涂層刀具合理使用等問(wèn)題作了綜述。

  引言

  涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上,利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng),從而減少了月牙洼磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性,切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1級(jí),降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。因此,涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志,在刀具中的使用比例已超過(guò)50%。目前,切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來(lái)提高它們的使用性能。

  涂層刀具有四種:涂層高速鋼刀具,涂層硬質(zhì)合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),可減少刀片的崩刃及破損,擴(kuò)大應(yīng)用範(fàn)圍。

  a)涂層刀片

  b)涂層刀具 圖1涂層刀片及其刀具

  涂層方法

  目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種:物理氣相沉積(PVD)法和化學(xué)氣相沉積(CVD)法。前者沉積溫度為500℃,涂層厚度為2~5µm;后者的沉積溫度為900℃~1100℃,涂層厚度可達(dá)5~10µm,并且設(shè)備簡(jiǎn)單,涂層均勻。因PVD法未超過(guò)高速鋼本身的回火溫度,故高速鋼刀具一般采用PVD法,硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí),由于其沉積溫度高,故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相),導(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來(lái),隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步,硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國(guó)外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù),開(kāi)發(fā)了復(fù)合的涂層工藝,稱為PCVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即利用等離子體來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),可把涂覆溫度降至600℃以下(目前涂覆溫度已可降至180℃~200℃),使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng),可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道,這種方法對(duì)涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。

  用CVD法涂層時(shí),切削刃需預(yù)先進(jìn)行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm,切削刃強(qiáng)度隨鈍圓半徑增大而提高),故刃口沒(méi)有未涂層刀片鋒利。所以,對(duì)精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外,還可涂覆到整體刀具上,目前已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報(bào)道,日本三菱公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法,結(jié)果使加工鋼料時(shí)的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長(zhǎng)10倍,效率提高5倍。

  表1瑞士PLATIT公司推出的各種新型涂層涂層 顏色 硬度GPa 厚度µm 摩擦系數(shù) 最高使用溫度℃ 說(shuō)明

  TiAlN單層 紫黑 35 1-4 0.5 800 通用高性能涂層

  TiAlN多層 紫黑 28 1-4 0.6 700 適用斷續(xù)切削

  TiCN-MP 紅-銅 32 1-4 0.2 400 高韌性通用涂層

  MOVIC 綠-灰 - 0.5-1.5 0.15 400 MoS2基涂層

  CrN 銀亮 18 1-4 0.3 700 適用加工銅、鈦

  TiAlCN 紅-紫 28 1-4 0.25 500 高性能通用涂層

  CBC(DLC) 灰 20 0.5-4 0.15 400 潤(rùn)滑涂層

  GRADVIC 灰 28 1.5-6 0.15 400 TiAlCN CBC

  AlTiN 黑 38 1-4 0.7 800 屬高性能涂層

  µAlTiN 黑 38 1-2 0.3 800 涂層表面質(zhì)量好

  AlTiN/SiN 紫蘭 45 1-4 0.45 1100 納米結(jié)構(gòu)

  涂層材料

  涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低,以及與基體附著牢固等要求。顯然,單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3,進(jìn)入到開(kāi)發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開(kāi)發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合,加上新型的抗塑性變形基體,在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展。目前,又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù),全面提高了刀具的性能。

  工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN,但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層,涂層易剝落,且硬度也不如TiC高,在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性,抗氧化性也好,但其性脆,不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn),它在涂覆過(guò)程中可通過(guò)連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì),并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu),可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力,提高韌性,增加涂層的厚度,阻止裂紋的擴(kuò)展,減少崩刃。所以,目前生產(chǎn)的一些刀片,如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國(guó)株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料,用它加工工件時(shí)的材料切除率可提高2~3倍。

  TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好,用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時(shí)的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。此外,TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度,切削時(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會(huì)產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜,該膜有較好的隔熱性,可更有效地用于高速切削。例如,美國(guó)Kennametal公司推出的H7刀片,系TiAlN涂層,是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼等高性能材料而設(shè)計(jì)的。CrC和CrN是一種無(wú)鈦涂層,適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料,化學(xué)穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生粘屑。TiAlCN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層,不僅具有高的韌性和硬度,而且摩擦因數(shù)也較小,適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具,切削性能明顯優(yōu)于TiN。

  德國(guó)CemeCon公司開(kāi)發(fā)了Supernitride涂層系列,其中超級(jí)氮鋁鈦涂層有很高的含鋁量,可形成穩(wěn)定的氧化層(氧化溫度達(dá)1000℃),它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫,適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具,可加工硬度高達(dá)58HRC以上的淬火鋼。

  此外,納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報(bào)道,日本住友電工公司推出了一種高速?gòu)?qiáng)力型鉆頭,它是在韌性好的K類(WC Co)硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層,涂層厚度約2.5µm。使用表明,該鉆頭的抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性可大幅度提高,其硬度則與CBN相當(dāng),刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開(kāi)發(fā)出ZX涂層立銑刀,超薄膜鍍層數(shù)達(dá)2,000層,每層厚度約1nm,用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料,刀具壽命遠(yuǎn)高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上,瑞士PLATIT公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層(AITiN/SiN)立銑刀,其涂層硬度為45GPa,氧化溫度1100℃,切削對(duì)比試驗(yàn)表明,其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍,比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。表1是PLATIT公司推出的各種新型涂層,除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂層外,還有特定功能的涂層,如CBC、DLC潤(rùn)滑涂層,其摩擦因數(shù)小(0.15),適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具,可改善排屑性能,或者作為復(fù)合涂層的表面涂層,減少切屑的粘結(jié)。

  納米結(jié)構(gòu)

  日本日立工具公司推出的GM20、GM25多層厚膜涂層刀片,它是在比普通CVD涂層稍低溫度條件下(約800℃~900℃)進(jìn)行的,以形成耐磨性很高的柱狀結(jié)晶,為了提高刀片的抗粘附性,再在刀具表面上涂覆一層Al2O3膜。據(jù)稱,這種鍍膜的厚度大,韌性高,與基體結(jié)合緊密,抗崩刃性好,尤其適于斷續(xù)切削的工作,刀具壽命可比一般涂層刀片高1.5~2倍以上。

  美國(guó)Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16µm厚的厚涂層,這種刀片特別適于加工高強(qiáng)度鑄鐵(如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵),切削速度可達(dá)400m/min,并可在干切削和斷續(xù)切削條件下使用。該刀片涂層總共有三層:氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)和氮化鈦(TiN)。

  目前,金剛石薄膜涂層刀具的應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)用階段。它是在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上采用CVD法沉積一層由多晶組成的膜狀金剛石而成,常稱CVD金剛石刀具(簡(jiǎn)稱CD刀具)。因基體易于制成復(fù)雜形狀,故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具。美國(guó)和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25)等產(chǎn)品,用于有色金屬和非金屬材料的高速精密加工,刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍、甚至幾十倍。而另一種適于加工鋼鐵材料的CBN涂層亦已開(kāi)發(fā)成功,并正在走向工業(yè)試用階段。前幾年,武漢大學(xué)研制出一種C3N4薄膜,膜的硬度接近超硬材料,用其涂覆在高速鋼鉆頭上,可使鉆頭壽命大大提高。此外,美國(guó)一家涂層公司使用熱陰極蒸發(fā)技術(shù)把碳蒸發(fā)沉積到高速鋼刀具表面上,獲得結(jié)合得很好的類金剛石碳涂層(DLC)。類金剛石是非晶體,但它有很多金剛石相似的性能,如高的抗壓強(qiáng)度與硬度、低的摩擦因數(shù)和好的耐蝕性等,類金剛石刀具的問(wèn)世,為涂層刀具的應(yīng)用展現(xiàn)了一個(gè)新的前景。

  除上述各種硬質(zhì)涂層材料外,還開(kāi)發(fā)了MoS2基的軟涂層材料及WC/C“中硬”型滑性涂層材料。前者能大大改善刀具的切入性能,并防止積屑瘤的產(chǎn)生;后者切入時(shí)摩擦因數(shù)雖比MoS2涂層稍高,但它的抗磨損性能較好。軟涂層可單獨(dú)使用,也可先在刀具表面上進(jìn)行硬質(zhì)涂層,再在其上涂MoS2軟涂層,無(wú)論是切鋼或加工高硅鋁合金都有好的效果(見(jiàn)圖2),而且對(duì)鑄件也同樣有效。例如,采用一種(Ti, Al)N MoS2軟涂層的硬質(zhì)合金鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的深孔,刀具壽命高達(dá)1600min,而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭,其壽命分別為19.6min和44min。

  目前,一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還著手根據(jù)被加工材料的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)涂層成份、涂層厚度及與之相匹配的基體材料,以求獲得其最佳組成并取得最佳涂覆效果。同時(shí),還在開(kāi)發(fā)智能涂層,這種涂層在磨損、變形或暴露于高溫的情況下,會(huì)引起電阻的變化,并發(fā)射電子而能被機(jī)床識(shí)別。

  工件材料:42CrMo4V(1000MPa)刀具整體硬質(zhì)合金;D=8.5mm鉆削速度:70m/min,進(jìn)給量:0.15mm/r鉆深42.5mm,干切削

  工件材料:AlSi9刀具整體硬質(zhì)合金;D=8.5mm鉆削速度:90m/min,進(jìn)給量:0.315mm/r鉆深25.5mm,微量冷卻潤(rùn)滑 圖2不同涂層材料鉆頭在鋼件及鋁件上鉆削時(shí)切削行程長(zhǎng)度的對(duì)比

  涂層刀具的合理使用

  涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外,還有以下情況。涂前刀具的表面質(zhì)量

  被涂刀具表面應(yīng)是光亮的磨光面,刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷,要求刃口上無(wú)毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra<0.8~1.25µm。表面粗糙度值愈小,涂層的結(jié)合度愈好。此外,刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。

  刀具基體材料

  涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配,須根據(jù)不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體,既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速鋼,也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)。因粉末冶金的基體均勻,故使用效果好。加工鈦合金時(shí),推薦用含鈷超硬高速鋼如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作為刀具的基體材料。對(duì)于涂層滾刀,當(dāng)以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時(shí),崩刃是滾刀磨損的主要原因,因此應(yīng)選擇韌性較好的W6Mo5Cr4V2高速鋼作為刀具的基體材料;而在高速滾齒時(shí)(切削速度大于100m/min),月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因,因此應(yīng)選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CW9Mo3Cr4VN高速鋼為刀具的基體材料。

  涂層硬質(zhì)合金刀具的基體,在加工鋼材時(shí),宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)合金,如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多);加工鑄鐵和有色金屬時(shí),宜選擇WC-Co類合金(K20用得較多)。

  被加工材料的硬度及切削加工性,對(duì)涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗(yàn)證實(shí),涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

  刀具的幾何角度

  由于涂層的潤(rùn)滑性好,所以涂層刀具工作時(shí)常會(huì)在工件表面上打滑,為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實(shí)踐表明,對(duì)鉸刀等一類精加工刀具,加大后角后,可使刃口鋒利,切屑形成容易,打滑現(xiàn)象明顯減少,刀具的使用性能提高。

  切削用量和切削液

  為了充分發(fā)揮涂層刀具的性能,必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好,抗月牙洼磨損能力強(qiáng),故可采用較大進(jìn)給量和切削速度工作,但首先應(yīng)選取較大進(jìn)給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進(jìn)給量比未涂層刀具提高10%~100%,提高20%~30%的切削速度是合適的。為了提高工效,涂層硬質(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進(jìn)行切削。目前,用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時(shí)的切削速度,立銑刀可達(dá)100~150m/min,鉆頭可達(dá)80~100m/min;絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。

  實(shí)踐證明,使用20號(hào)機(jī)械油加10%煤油冷卻時(shí),可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高1~2倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數(shù)m=5)時(shí),使用20號(hào)機(jī)械油和煤油混合潤(rùn)滑,刀具壽命可提高5倍左右,即使重磨后也可提高2~3倍,干切時(shí)壽命僅提高1倍。

  涂層刀具使用時(shí)還要求機(jī)床的精度好、剛性高和振動(dòng)小,刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。

  涂層刀具的重磨和重涂

  涂層刀具磨損后必須進(jìn)行重磨。涂層刀具重磨時(shí),須將刀具上的磨損部分全部磨掉。對(duì)于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齒輪滾刀和插齒刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如鉆頭和鉸刀等),若在其毗連切削刃的另一個(gè)刀面(如鉆頭的螺旋出屑槽)上的涂層未受損傷,刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂層刀具,其刀具壽命可達(dá)原來(lái)新涂層刀具壽命50%左右或更長(zhǎng),仍比未涂層刀具的壽命要高。

  刃磨涂層硬質(zhì)合金刀具所用砂輪可采用金剛石砂輪。但刃磨涂層高速鋼刀具時(shí),用立方氮化硼(CBN)砂輪磨削有較好效果。刀具的磨損處應(yīng)全部磨去,涂層不能剝落,又不能使刀具退火。

  使用涂層刀具的一個(gè)重要問(wèn)題是重磨后刀具切削性能恢復(fù)的問(wèn)題,即刀具每次刃磨(開(kāi)口)后可否再進(jìn)行重復(fù)涂層(重涂)的問(wèn)題。對(duì)于重磨的成形刀具,只有進(jìn)行重涂,才能保證刀具的總壽命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必須按工藝要求將各幾何參數(shù)磨好,其磨光部分不允許存在各種質(zhì)量缺陷,如磨糊、毛刺等。重涂時(shí)可采用局部屏蔽技術(shù)只對(duì)刃磨面進(jìn)行涂層。對(duì)于不采用屏蔽技術(shù)的重涂,在重涂4~6次后,刀具的非刃磨面的涂層厚度就會(huì)過(guò)大,從而影響刀具的精度和產(chǎn)生局部剝落現(xiàn)象,此時(shí)要對(duì)刀具進(jìn)行脫膜處理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂層刀具,刀具可重涂多次,直到報(bào)廢為止。

  由上可知,重涂對(duì)提高刀具耐磨性和生產(chǎn)率是有很大潛力的。但重磨后是否要重涂,還要看該刀具在技術(shù)上可否重涂和在經(jīng)濟(jì)上是否合算而定。

  涂層刀具在中國(guó)應(yīng)用概況

  中國(guó)對(duì)涂層刀具的研究與應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。目前,湖南株洲硬質(zhì)合金廠已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各種涂層刀具的產(chǎn)品。YB系列是用引進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)相當(dāng)于瑞典Sandvik公司GC系列涂層刀片的產(chǎn)品,涂層材料為T(mén)iC、TiC Al2O3及TiC Al2O3 TiC;CN系列主要用于鋼材的精加工,其涂層材料為T(mén)iC Ti(C,N) TiN;CA系列涂層材料為T(mén)iC Al2O3,適于鑄鐵和有色金屬材料的加工。四川自貢硬質(zhì)合金廠用美國(guó)的涂層設(shè)備,生產(chǎn)ZC系列涂層刀片。但與制造技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比,中國(guó)應(yīng)用涂層刀具的比例與涂層技術(shù)的水平均較低。為此,上海工具廠有限公司和湖南株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司新近又從瑞士和德國(guó)分別引進(jìn)了PLATIT公司和CemeCon公司的涂層設(shè)備,以使中國(guó)刀具的涂層技術(shù)和涂層刀具的性能迅速趕上并接近國(guó)際先進(jìn)水平。與此同時(shí),還成立了中瑞合資上海納微涂層有限公司,這是一個(gè)大型涂層服務(wù)中心,開(kāi)展刀具的涂層、重磨及重涂服務(wù),該公司引進(jìn)了4套涂層設(shè)備,可涂覆S-AlTiN(超級(jí)氮鈦化鋁)、S-TiN(超級(jí)氮化鈦)、TiCN、DLC、CrN等多種涂層?梢灶A(yù)料,隨著涂層刀具的推廣與應(yīng)用,必將促進(jìn)中國(guó)高速切削、干式切削和硬切削等先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展,而先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展,又將進(jìn)一步推動(dòng)涂層刀具的應(yīng)用。

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