Warum ist Öl ein besseres Schmiermittel als Wasser?

Warum ist Mineralöl ein besseres Schmiermittel als Wasser, obwohl Wasser eine niedrigere Viskosität hat?

Skizze des Problems

Wenn zwei Oberflächen mit einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Spalt übereinander gleiten, werden die verschiedenen Schichten der Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten mitgerissen. Die oberste Schicht, die die obere Metalloberfläche berührt, hat die gleiche Geschwindigkeit wie die Oberfläche selbst, während die unterste Schicht stationär ist. Die Geschwindigkeit in den Schichten dazwischen ist linear verteilt und es gibt Reibungskräfte zwischen diesen Schichten, die die Bewegung verlangsamen. Diese Reibungskräfte sollten jedoch reduziert werden, wenn ein Fluid mit niedrigerer Viskosität gewählt wird.

Wie kommt es, dass dem nicht so ist?

Hat es mit der Polarität von Wasser zu tun, dass es anders an Oberflächen haftet als Öl?

Ich denke, Schmierung ist eine äußerst komplizierte Angelegenheit. Allerdings sollte die Viskosität eigentlich nicht zu niedrig sein: Ein entscheidender Zweck von Schmiermitteln besteht darin, den Kontakt von Metall zu Metall zu verhindern, der für Maschinen im Allgemeinen schnell tödlich ist, und um dies zu erreichen, müssen sie ziemlich viskos sein.
Wasser ist nicht immer ein schlechteres Schmiermittel. Schon mal diese "Nasse Böden"-Schilder gesehen? Böden können durch das Einbringen einer winzigen Menge Wasser extrem rutschig werden, viel mehr als mit Öl. Eisschilde oder Schiffe sind ein weiteres großartiges Beispiel – nehmen Sie ein Wasserschiff, legen Sie es in Öl und es wird viel mehr Reibung erfahren als im Wasser.
Wasser schmiert gut, das Problem ist, dass es wie verrückt verdampft. Was nützt ein Gleitmittel, das in 5 Minuten weg ist?
@Luaan, klar ist Wasser nicht immer ein schlechteres Schmiermittel als andere Substanzen, aber es scheint mir, dass Öl unter "Haushaltsbedingungen" (wie Hände reiben oder einen Schuh auf dem Bürgersteig schieben) eine bessere Arbeit leistet. Der Fall eines Schiffes, das in Öl gegen Wasser schwimmt, hängt nur von der Viskosität der Flüssigkeit ab, es handelt sich nur um ein normales Problem des laminaren Widerstands, und ich bin mir nicht sicher, ob es für die ursprüngliche Frage gilt.
@Davor, die Verdunstungsrate ist eine weitere gute Eigenschaft, die es zu berücksichtigen gilt. Wenn das Experiment jedoch in einem kurzen Zeitrahmen durchgeführt wird, in dem die Verdunstung vernachlässigt werden kann, ist dies wahrscheinlich nicht die Hauptursache für den Unterschied. Es könnte sein, dass Viskosität und Verdunstungsrate irgendwie zusammenhängen, gibt es dazu Material?
Unsere Haut hat sich mit dem Ziel entwickelt, „auf Wasseroberflächen nicht auszurutschen“. Sie suchen also nach Material, das speziell dafür „entworfen“ wurde, um ein Verrutschen zu verhindern, genau wie die Gummisohlen Ihrer Schuhe. Nehmen Sie einen Schuh der alten Schule ohne Gummi, und Sie werden sehen, dass er auf nassen Oberflächen extrem rutschig ist – die Europäer im Mittelalter gingen die meiste Zeit barfuß, besonders im Winter. Öl kommt in der Natur nicht häufig vor, daher gab es keinen großen Druck, die Haut rutschfest auf einer öligen Oberfläche zu machen - tatsächlich ist die häufigste Ölquelle unsere eigene Haut , die (unter anderem) zum Schmieren "entworfen" wurde. .
Was einen „besseren Schmierstoff“ ausmacht, ist wahrscheinlich nicht für jede Situation gleich. Zum Beispiel. Fett eignet sich hervorragend als Schmiermittel für Blattfedern, gerade weil es so zähflüssig ist.
Könnte es die Molekülgröße sein - die Teile auseinander halten?
Es ist erwähnenswert, dass Wasser bei Temperaturen über 100 ° C sowohl keine Schmierfähigkeit als auch keine Trennfähigkeit hat - Öl und Fett haben beide einen Arbeitsbereich, der sich bis zu viel höheren Temperaturen erstreckt.
Es ist nicht unbedingt so, dass es über 100 ° C keine Schmierfähigkeit hat. Beispielsweise werden in Strahltriebwerken verwendete Folienlager mit Luft geschmiert.
Zusammenfassend sollte ein guter Schmierstoff (zumindest für die meisten Umstände) eine niedrige Viskosität haben, in der Lage sein, Maschinenteile auseinander zu halten (was mit höherer Viskosität, Haftung, Oberflächenspannung zusammenhängen kann), nicht flüchtig und nicht korrosiv sein , haben eine geringe Wechselwirkung zwischen ihren Molekülen (unpolar) und müssen möglicherweise andere Funktionen (Kühlmittel, Rostschutz) im erwarteten Temperaturbereich erfüllen.

Antworten (6)

Ihre Herleitung setzt sich aus korrekten Aussagen zusammen, und in der Tat, wenn bekannt ist, dass etwas als Schmiermittel wirkt, möchten wir, dass die Viskosität so niedrig wie möglich ist, weil die Reibung auf diese Weise verringert wird. Honig ist zum Beispiel ein schlechtes Schmiermittel, weil er zu dickflüssig ist.

Ihre Ableitung ist jedoch nicht die ganze Geschichte. Die zweite Bedingung ist, dass die beiden Oberflächen voneinander getrennt bleiben müssen. Wenn Sie ein Schmiermittel mit zu niedriger Viskosität verwenden, kommen die Oberflächen in Kontakt und die ursprüngliche Reibung stellt sich wieder ein.

Das optimale Schmiermittel ist also die am wenigsten viskose Flüssigkeit, die viskos genug ist, um die Oberflächen auseinander zu halten. Welche davon die optimale ist, hängt von den detaillierten Oberflächen und anderen Bedingungen ab. So gibt es zum Beispiel Situationen, in denen Wasser ein besseres Schmiermittel ist als Öl – zum Beispiel wenn Eis auf Eis rutscht. Ein Teil des Eises schmilzt und das Wasser ist der Grund, warum das Eis so schön gleitet.

Was ist mit Oberflächenspannung und Benetzung? Sollten sie nicht auch wichtige Parameter sein?
Ja, sie sind auch wichtig. Die Benetzung nimmt im Allgemeinen mit der Viskosität ab, aber sie sind nicht identisch.
Fett ist sehr zähflüssig, aber es ist ein gutes Schmiermittel. Ich denke, dass die Eigenschaft, die eine Flüssigkeit zu einem guten Schmiermittel macht, nichts mit ihrer Viskosität zu tun hat. Die Behauptung, Honig sei ein schlechtes Schmiermittel, weil er zu zähflüssig sei, ist genauso falsch wie die Behauptung, Öl sei ein gutes Schmiermittel, weil es nicht zähflüssig sei.
Fett ist sicherlich kein gutes Schmiermittel für Motoren usw. Es ist klebrig und man kann es fühlen. Das OP hat absolut Recht, dass die Reibungskraft am Ende proportional zur Viskosität ist.
Welche physikalische Eigenschaft einer Flüssigkeit (oder eines Pulvers) bestimmt, wie "einfach" es für die Platten ist, sie zu berühren? Ist das auch die Viskosität? Oder vielleicht auch die Oberflächenspannung, wie @user_na erwähnte, da sie dem Zerquetschen eines Tropfens entgegenwirken würde, wenn Kraft auf die obere Platte ausgeübt wird, um den Spalt zwischen den Platten zu verringern. Kann beispielsweise Quecksilber zumindest teilweise als Schmiermittel verwendet werden? Gibt es auch Arbeiten über die Beziehung zwischen diesen Werten?
@Neil Grease ist oft ein schreckliches Schmiermittel. Es ist gut, wenn Sie etwas brauchen, das dort bleibt, wo es ist (z. B. wenn Sie Maschinen haben, die keinen Mechanismus haben, um Lagerflächen mit Öl bedeckt zu halten), aber im Allgemeinen würden Sie Öl verwenden, wenn Sie könnten. Beachten Sie jedoch, dass ein Großteil der Gründe für die Verwendung von Öl in (sagen wir) Automotoren darin besteht, dass es auch ein Kühlmittel ist und Sie daher einen erheblichen Durchfluss durch die Lager benötigen. Lunrication ist ein wirklich kompliziertes Thema.
@tfb So "schlecht" Fett auch ist, es wird immer noch als Schmiermittel verwendet, was, wenn die Viskosität einer Flüssigkeit ihre Fähigkeit als gutes Schmiermittel bestimmt, darauf hindeuten sollte, dass es ein schlechteres Schmiermittel als Wasser sein sollte. Außerdem finde ich es fragwürdig, dass Fett so ein schreckliches Schmiermittel ist.
Es könnte auch gut sein zu erwähnen, dass Wasser Dinge viel eher beschädigt als Mineralöl, und rostiges Metall tendenziell mehr Reibung hat.
@Neil Viskosität ist nicht die einzige Determinante und die Abhängigkeit von der Viskosität ist auch nicht monoton: Wasser ist nicht viskos genug, Fett ist (sehr oft) zu viskos. Aus diesem Grund werden Motoröle beispielsweise nach Viskosität angegeben und haben oft Additive, damit sie sich im heißen Zustand wie ein Öl mit höherer Viskosität verhalten (10W-30 bedeutet beispielsweise „wie 10 W im kalten Zustand, aber wie 30 im heißen Zustand“, wo ich denke „heiß“ bedeutet 100 °C). PS: Versuchen Sie, Ihr Auto mit Fett zu schmieren (nicht, wenn Sie kein neues kaufen möchten), wenn Sie denken, dass es ein vernünftiges Schmiermittel ist ...
@Niel Beachten Sie, dass Fett an Stellen wie Türgelenken verwendet wird, an denen die resultierende Reibung kein Problem darstellt. Das Gelenk bewegt sich beim Öffnen der Tür nur wenige Millimeter, und eine reibungsfreie Bewegung möchte man eigentlich gar nicht, da ein gewisses Maß an Reibung das Zuschlagen der Tür verhindert.
"Am wenigsten viskose Flüssigkeit, die viskos genug ist, um die Oberflächen auseinander zu halten". Ich mag das. Erklärt, warum Wasser ein so gutes Schmiermittel für Boote ist. Sie schweben. :)
@Neil: Die Viskosität ist ungefähr das wichtigste Merkmal, aber Fett ist pseudoplastisch, seine Viskosität nimmt unter Scherung ab (Scherverdünnung). Die Viskosität fällt auf einen Punkt nahe der Viskosität seines Grundschmiermittels, wie etwa eines Öls. Es bleibt also normalerweise an Ort und Stelle und schmiert aufgrund des Viskositätsabfalls zwischen den Oberflächen.
@tfb Das war genau mein Punkt. Die Viskosität ist hier nicht der einzige Faktor. Schön, dass wir uns einig sind.
@LubošMotl Hallo, mir ist eine Sache nicht klar " viskos genug, um die Oberflächen auseinander zu halten ", wie beeinflusst die Viskosität das Auseinanderhalten oder Zusammenkommen von Dingen? Es kommt nicht von der Definition und ich sehe keinen offensichtlichen Zusammenhang, besonders wenn es um Oberflächen geht. Ich verstehe, dass ein Objekt in Honig langsamer fallen würde als in Wasser, aber ich verstehe nicht, wie es sich in eine "Berührung" zwischen zwei Oberflächen verwandelt. Möchten Sie dieses Detail erläutern? Vielleicht wäre es in der Antwort meiner Meinung nach viel klarer. Oder ist es offensichtlich? Niemand hat das angesprochen, also bin ich vielleicht ein bisschen dumm.
@LubošMotl Nur vielleicht, um ein wenig näher darauf einzugehen. Ich dachte an zwei Objekte in einer flüssigen Umgebung, sagen wir zwei Blätter oder sogar Hände, die aneinander reiben. Ich sehe nicht, wie sich der Prozess in Wasser und Honig in Bezug auf die Nähe zwischen den Oberflächen unterscheiden würde. Es ist schwieriger, sie in einer viskoseren Umgebung zu bewegen, aber ist es auch schwieriger, sie in der Nähe zu halten? Ich hoffe, ich bin klar (und es ist keine zu dumme Frage).

Ein gutes Schmiermittel neigt dazu, den direkten Kontakt zwischen den Komponenten aller Geräte, die es benötigen, effektiv zu minimieren

Vor diesem Hintergrund ist die Viskosität nicht der einzige Faktor. Schleifen Sie eine Bleistiftmine aus Graphit und Sie erhalten ein mächtig feines Schmiermittel. Es kann sein, dass im Fall von Wasser, das zwischen zwei Oberflächen platziert wird, ein Wassertropfen, der als Zwischenschicht fungieren sollte, leicht verdrängt wird, was zu einem vorzeitigen Kontakt zwischen den ansonsten geschmierten Teilen führt, was zu Verschleiß führt, während Komponenten verölen neigen dazu, als Zwischenmedium an Ort und Stelle zu bleiben und als Schmiermittel zu wirken. Da Graphit offensichtlich ein feines Pulver ist, verhält es sich nicht wie Wasser.

Eine hervorragende Beobachtung. Die Viskosität ist hier nicht das entscheidende Kriterium.
Gemahlener Graphit ist keine Flüssigkeit (weshalb die Viskosität schlecht definiert ist) und ich denke, er sollte nicht einmal als Schmiermittel bezeichnet werden. Es ist ein mikroskopisch kleines Wälzlager. Das hat mit der Frage eigentlich nichts zu tun.
Graphit ist nicht der einzige Festschmierstoff. Es gibt Fest- und Halbfestschmierstoffe aus Silizium, Keramik, Molybdändisulfid, Bornitrid und Polytetrafluorethylen. Der gemeinsame Faktor bei diesen Schmiermitteln ist ihre Molekularstruktur und schwache Bindung zwischen Molekülen.
Talk ist ein weiterer Festschmierstoff, Graphit ist nicht Walzen, seine Blätter,
Bei Festschmierstoffen wie dünnen Filmen ist die Scherfestigkeit der festen Schicht normalerweise der bestimmende Faktor und kann als Äquivalent zur Viskosität einer Flüssigkeit angesehen werden.
Wachs ist ein gutes Schmiermittel für Schubladenführungen aus Holz.
@LubošMotl Graphit ist kein mikroskopisches Wälzlager, sondern ein Schmiermittel. Es rollen keine Graphit-Nanokugeln zwischen den Oberflächen. Zu Beginn des Gleitens bedeckt der Graphit beide Gegenstücke, füllt alle Hohlräume und der Gleitkontakt zwischen, sagen wir Stahl-Stahl/Graphit, ändert sich zu Graphit-Graphit.
@Crowley Ich habe über lineare Luftspuren gelesen und so gibt es das Luftkissen, das die freie Bewegung des Fahrers unterstützt. Falls dieser Kommentar zu spät kommt, ist es richtig, Luft als Schmiermittel einzustufen?
@Abhinav Wenn es verhindert, dass sich Oberflächen berühren, warum dann nicht? Ich verwende ein Gerät, bei dem Luft zur Dämpfung verwendet wird. Magnetfeld kann auch als Schmierung betrachtet werden :-)

Die von Ihnen beschriebene Parallelplattensituation ist nicht der typische Zustand, der bei praktischen Schmiervorgängen auftritt. Das geschmierte Lager muss nicht nur das Gleiten der Oberflächen übereinander erleichtern, sondern auch eine normale Belastung aushalten. Dazu variiert der Spalt zwischen den Oberflächen je nach Position entlang des Lagers. Beispielsweise ist bei einem Gleitlager die Welle nicht konzentrisch mit der Lagerbuchse, und bei einem Gleitlager befindet sich die sich bewegende Oberfläche in einem kleinen Winkel zur stationären Oberfläche. Diese Merkmale der Geometrie ermöglichen den Druckaufbau im Spalt zwischen den Oberflächen als Ergebnis einer Kombination aus Schleppströmung und Druckströmung. Dies bewirkt eine nach oben gerichtete Normallast auf dem Gleitelement. Je höher die Viskosität des Schmiermittels, Je größer der Druckaufbau und desto größer die normale Belastung, die das Lager aufnehmen kann. Deshalb verwenden wir Schmiermittel mit höherer Viskosität als Wasser.

Dies ist die bisher einzige vollständige Antwort hier.

Warum Öl rutschig ist

Um zu erklären, warum Öl rutschig ist, muss man sich seine chemischen Eigenschaften ansehen. Erstens ist Öl unpolar, was bedeutet, dass es keine positive oder negative Ladung hat. Einige Moleküle, wie Wasser, haben eine „Ladungsverteilung“, was bedeutet, dass das Molekül fast wie eine Batterie wirkt, ein Teil davon hat eine positive Ladung und ein Teil davon hat eine negative Ladung. Das Ergebnis, weil Positiv von Negativ angezogen wird und umgekehrt, ist, dass Wasser und andere „polare“ Moleküle aneinander haften. Öl hat dieses Problem nicht, daher kann ein Ölmolekül leichter an einem anderen vorbeigleiten als ein Wassermolekül an einem anderen vorbeigleiten kann.

Zur Schlüpfrigkeit von Öl trägt auch seine Tendenz bei, durch Kräfte, die Van-der-Waals-Kräfte genannt werden, oder genauer gesagt Londoner Dispersionskräfte (eine Art Van-der-Waals-Kräfte), unterschiedliche Schichten zu bilden. Diese Kräfte, die die schwächsten sind, die in der Wissenschaft bekannt sind, können alten Dingen zusammenhelfen, was die Reibung erhöhen würde. Öle haben jedoch die einzigartige Eigenschaft, Kräfte nur innerhalb von Schichten zu bilden, da die Moleküle im Wesentlichen planar sind. Planar bedeutet einfach, dass Moleküle flach sind, wie das Diagramm unten betont, und nur Platz in zwei Dimensionen statt in drei einnehmen. Ohne Vorsprünge zum Anbringen können Kräfte nur innerhalb der Ebene verteilt werden und somit gibt es keine Kräfte, die eine Schicht mit der nächsten verbinden. Somit haften zwei Ölschichten kaum aneinander. ...

Das wäre vergleichbar damit, dass Graphit ein gutes Schmiermittel ist, da es ebenfalls schwach wechselwirkende ebene Strukturen hat, die aneinander vorbeigleiten können. Aber wenn die Polarität einer der führenden Faktoren wäre, wäre Terpentin zum Beispiel ein außergewöhnlich gutes Schmiermittel.
"Kohlenstoff-Graphit ist ein selbstpolierendes und formstabiles Material. Auf eine feine Oberflächengüte polierte Wellen polieren das Kohlenstoff-Graphit-Material auf die gleiche feine Oberfläche, sodass ein dünner hydrodynamischer Film für die Schmierung ausreicht.
„[...] Kunststoff- oder Polymer-Lagermaterialien versagen oft in Unterwasseranwendungen, weil sie dazu neigen, aufzuquellen, aufzuweichen oder sich zu verschlechtern. Metallische Lager sind oft unbefriedigend, weil der hydrodynamische Film, den niedrigviskose Flüssigkeiten bilden, nicht dick genug ist, um die Stärke zu überwinden atomare Anziehung zwischen Metalllagern und der Metallwelle." – flowcontrolnetwork.com
@andynitrox - Terpentin als Schmiermittel würde bedeuten, dass es untergetaucht ist (Sie können sonst nicht zuverlässig mit einem flüchtigen Lösungsmittel lukubieren) und das Lager dafür ausgelegt wurde.
"alten Sachen zusammen helfen" habe ich nicht editiert, weil ich nicht weiß, ob es ein [sic] ist.
"Londoner Dispersionskräfte sind besonders nützlich für die Funktion von Klebevorrichtungen, da sie nicht erfordern, dass eine der Oberflächen eine dauerhafte Polarität aufweist." Ich denke, es hat größtenteils damit zu tun, dass die Haftung von Öl größer ist als die von Wasser, in Verbindung mit der richtigen Viskosität für die Anwendung (wie die führende Antwort andeutet, wenn Ihr Schmiermittel verdrängt werden kann, funktioniert es nicht).
@andynitrox Terpentin ist unter den richtigen Umständen ein ziemlich gutes Schmiermittel. Unter den meisten "menschlichen" Bedingungen ist es zu volatil, um dafür gut zu sein. Es ist unter vielen Umständen auch ein gutes Lösungsmittel, und das Auflösen Ihrer Arbeitsteile ist eine schlechte Eigenschaft für ein Schmiermittel. Es profitiert jedoch sowohl von einer ziemlich niedrigen Viskosität als auch von einer Nichtpolarität, die beide führende Faktoren für die Gesamtleistung des Schmiermittels sind. Letztendlich ist die Frage, was einen guten Schmierstoff ausmacht, aber einfach zu kompliziert, um mit ein oder zwei Grundwerkstoffeigenschaften beantwortet zu werden.

@tbf hat Recht; Schmierung und Tribologie im Allgemeinen sind kompliziert. Deshalb gibt es diesen hohen Aufwand, es zu verstehen und fortschrittliche Materialien zu entwerfen.

Es gibt mehrere Phänomene, die dazu führen, dass die Reibungskraft existiert, und die von Ihnen vernachlässigten Ursachen dafür, dass Öle Wasser in den meisten industriellen Anwendungen überlegen sind.

Beim Trockengleiten können wir Adhäsion (dominant für zwei superglatte, glasige Oberflächen), Springen und Deformieren von Unebenheiten (dominant für zwei raue und harte Oberflächen) und Pflügen (dominant für das Gleiten einer harten rauen Oberfläche gegen eine weiche) identifizieren. Einige fügen die chemische Bindung als separate Ursache hinzu, andere betrachten sie als Teil der Adhäsion und wieder andere betrachten sie als Bedingung.

Die Schmierstoffe werden ausgewählt, um Reibung und Verschleiß zu verringern, und es gibt keinen universellen Superschmierstoff, der für jede Anwendung ideal ist. Man muss bedenken:

  • Alle Materialien im Gleitkontakt;
  • Bereich der aufgebrachten Kräfte;
  • Temperatur;
  • Gleitgeschwindigkeiten;
  • Umgebung (Luft-/Flüssigkeitsströmung, chemische Umgebung, Gleitfrequenz, Vorhandensein von Ablagerungen, ...)

Zu der Frage, Mineralöl ist ein gutes Schmiermittel beim Gleiten zweier Metalle, da es die Oberflächen passiviert und ihren Kontakt verhindert (Adhäsion wird daher vernachlässigt), wenn die Viskosität niedrig genug ist, verringert es auch die Wechselwirkung zwischen Unebenheiten beider Oberflächen. Andererseits kann Wasser chemisch mit den Oberflächen reagieren und kann aufgrund seiner geringen Viskosität die Interaktion mit Unebenheiten nicht verhindern. Aber es sagt nichts im Allgemeinen.

Anmerkungen:
Das häufigste Schmiermittel auf der Erde ist Wasser – die Gelenke in den Körpern aller Wirbeltiere werden mit Wasser geschmiert.
Wie Abhinav feststellte, sind Graphit und alle in den Kommentaren unter seiner Antwort erwähnten Festschmierstoffe gute Schmierstoffe, und Sie können dort keine Viskosität definieren.
Turbomolekularpumpen verwenden Magnetlager, bei denen "Schmiermittel" Vakuum ist.

Wasser kann normalen Belastungen nicht so gut standhalten wie Öl.
Wasser muss in einem offenen Schmierkreislauf aus Hochdrucklagern zu den unteren Presserstellen entweichen und Bärenkontakte hinterlassen.
Wasser kann Blasen um Hohlräume und Ecken bilden und die laminare Strömung unterbrechen, was die Trennung beweglicher Teile beeinträchtigt. Wasser reagiert chemisch mit Oberflächen.
Es gibt Schmiermittel, die mechanisch so ausgelegt sind, dass sie eine Wasserviskosität aufweisen, aber chemisch inert sind und eine breitere Temperaturtoleranz aufweisen, wie Bremsflüssigkeiten.
Viele der rotierenden Hochgeschwindigkeitsteile wurden unter Ausnutzung der Tragfähigkeit von Öl entwickelt, um das System aktiv und dynamisch in seine richtige Konfiguration unter einer Reihe unterschiedlicher Belastungen oder Drehzahlen auszugleichen, was bei Öl praktischer ist. Automatikgetriebe ist nur ein Fall.

Warum ist Öl ein besseres Schmiermittel als Wasser?
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