DE2732818A1

DE2732818A1 - Bearbeitungsfluessigkeit

Info

Publication number: DE2732818A1
Application number: DE19772732818
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1976-07-20
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1978-01-26
Also published as: FR2359201A1; FR2359201B1; US4130493A; IT1079797B

Description

Bearbeitungsflüssigkeit

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bearbeitungsflüssigkeit, die sich für eine große Auswahl von Bearbeitungsvorgängen einschließlich des elektrochemischen Formens, Hohlraumausfräsens, Abfräsens, Bohrens, Schneidens, Honens, Schleifens und Polierens unter Ausnutzung der elektrochemischen Erosionswirkung, möglicherweise in Kombination mit einer anderen Materialabtragungswirkung (die allgemein als elektrochemische Bearbeitung bezeichnet wird), des elektrischen Entladungs-Formens,- Hohlraumausfräsens-, Abfräsens,- Bohrens.,- Schneidens,- Schleifens und -Polierens unter Ausnutzung der elektrischen Entladungserosions wirkung, möglicherweise in Kombination mit einer anderen Materialabtragungswirkung (die allgemein als elektrische Entladungsbearbeitung bezeichnet wird), und des herkömmlichen Formens, Hohlraumausfräsens, Abfräsens, Bohrens, Schneidens, Honens, Schleifens, Polierens und anderen rein mechanischen Bearbeitens eignet. Die letztere Bearbeitungsart soll auch das Drehen, Räumen, Ausreiben, Gewindeschneiden, Walzen, Verzahnen, Sägen, Formen, Entgraten, Schmieden, Glanzschleifen usw. umfassen.

58l-(A536)-TF

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Bei allen beschriebenen Bearbeitungsvorgängen treten erhebliche Probleme hinsichtlich der Böarbeitungsflüssigkeit auf.

So 1st beim elektrochemischen Bearbeiten die als elektrochemisches Reaktionsmediumduich den Bearbeitungsspalt dienende BearbeitungsflUssigkeit eine wäßrige Lösung eines Elektrolyten, wodurch Antikorrosionsmaßnahmen unvermeidlich sind.

Beim elektrischen Entladungsbearbeiten wurden Petroleum u. dgl. Olprodukte lange Zeit als Funkenentladungsmedien wegen ihrer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet und führen daher praktisch zu keinem Korrosionsproblem. Beim Wanderdraht-Elektroentladungsbearbeitungsverfahren, bei dem ein Draht u. dgl. längliche Elektrode kontinuierlich durch die Bearbeitungszone, die zwischen der Elektrode und einem in geringem Abstand dazu angeordneten und relativ dazu quer bewegten Werkstück gebildet 1st, geführt wird, wird jedoch heute üblicherweise destilliertes Wasser verwendet, das zur an der Atmosphäre gelegenen Bearbeitungszone gespült wird. Bei solchen Verfahren 1st die Verwendung des entflammbaren UIs, da gegenüber der Luft ausgesetzt, unmöglich oder unpraktisch. Auch bei anderen Arten der elektrischen Entladungsbearbeitung bevorzugt man die Verwendung von Wassernloht nurwegsi seiner leichten Verfügbarkeit, da Wasser dank seiner niedrigen Viskosität eine höhere Spülströmung zuläßt, die erforderlich ist, um eine zügigere Entfernung von Bearbeitungsspänen und anderen Entladungsprodukten,eine schnelle Kühlung und eine augenblickliche Bogenauslöschung durch einen extrem engen Bear-

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beitungsspalt zu sichern. Hier tritt indessen wieder das Korrosionsproblem mit Wasser auf, welches dazu führt, daß die Bearbeitungseinrichtung, falls nicht mit Schutzmitteln ausgerüstet, sowie die WerkstUckoberflächen rostig werden.

Bearbeitungsflüssigkeiten zum mechanischen Bearbeiten haben Funktionen zur Verringerung der Reibung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück während des Bearbeitungsprozesses, zur Vermeidung oder Verringerung des Werkzeugverschleißes und zum Schutz der Werkzeug- und/oder WerkstUckoberflächen gegenüber einer Verschweißung durch Bearbeitungsspäne, wobei sie die Wärmeerzeugung begrenzen und die Wärmeabfuhr vom Bearbeitungsbereich erleichtern, wodurch die gewünschten feie\jn Endoberflächen und eine verlängerte Werkzeuglebensdauer gesichert werden. Auch hier ergeben sich Korrosions- und Rostprobleme, soweit das verwendete Bearbeitungsmedium unter Verdünnung mit Wasser eingesetzt wird.

So wurden verschiedene Arten von Zusätzen auf den einzelnen genannten Bearbeitungsfachgebieten vorgeschlagen, doch sind sie mehr oder weniger unbefriedigend und außerdem teuer, nachteilig, schädlich und/oder haben die Wirkung, den Bearbeitungswirkungsgrad zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsflüssigkeit zu entwickeln, mit der die genannten Nachteile bekannter Bearbeitungsflüssigkeiten überwunden werden, d. h. die die Korrosionsprobleme beseitigt, unschädlich und wirtschaftlich ist und keine Verringerung der Bearbeitungsleistung verursacht.

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-•r -

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß eine verbesserte Bearbeitungsflüssigkeit erhältlich ist, indem man einem Basisbestandteil einer herkömmlichen BearbeitungsflUssigkeit eine Verbindung zusetzt, die durch einen bestimmten mikrobiellen Gärungsprozeß erzeugt ist.

Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist daher eine BearbeitungsflUssigkeit aus einem Grundbestandteil in Form einer wäßrigen Lösung und einem korrosionsinhibierenden Zusatz, mit dem Kennzeichen, daß der korrosionsinhibierende Zusatz eine organische Verbindung ist, die durch einen Gärprozeß mittels Züchtung eines Mikroorganismus in einem Nährmedium, das ein Saccharid, eine Stickstoffquelle und ein anorganisches Salz enthält, erzeugt, in einer Nährlösung angereichert und von der Nährlösung' abgetrennt und gewonnen ist.

Der Mikroorganismus besteht vorzugsweise aus Schwämmen bzw. Pilzen, die aus der Klasse gewählt sind, die aus einem Bakterium der Arthrobactergattung, Penicillium spiculisporum, Aspergillus spiculisporum und Hefepilzen der Candiagattung besteht.

Das Saccharid ist vorzugsweise wenigstens eine Verbindung, die aus der aus Glukose, Fruktose, Sucrose, Melasse und Stärke bestehenden Klasse gewählt ist.

Die Stickstoffquelle ist vorzugsweise wenigstens eine Verbindung, die aus der aus Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat, Ammoniumphosphat, flüssigem Ammonium, Ammoniumtartrat, Natriumnitrat, Harnstoff, Maisquellwasser, Pepton, Hefeextrakt, Fleischextrakt und Kasein bestehenden Gruppe gewählt ist.

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Das anorganische Salz ist vorzugsweise wenigstens eine Verbindung, die aus der aus Magnesiumsulfat, Natriumphosphat, saurem Kaliumphosphat, Ferrosulfat und Zinksulfat bestehenden Gruppe gewählt ist.

Der Anteil der organischen Verbindung in der Bearbeitungsflüssigkeit liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 2 Jj, wobei hervorzuheben ist, daß die besten Ergebnisse erhältlich sind, wenn der Anteil im Bereich von 0,05 bis 0,1 £ liegt.

man Die organische Verbindung, die/hier als aliphatische,.

Säure oder ein wasserfreies Derivat davon bezeichnen kann, hat vorzugsweise einen Molekularaufbau mit mindestens 10 Kohlenstoffatomen, 3 Karboxygruppen und einer Hydroxidgruppe und kann eine der folgenden chemischen Formel sein:

COOH COOH

CH₃-(CH2)9 - C ι H	i	COOH I	- C - OH	(CH₂)₂ - COOH
I wTi % "* I LH 2 β 0 I H	\ ♦	•
COOH
- <	(CH₂)₂ - ( I — 0

H₂O

die manchmal Spiculisporsäure genannt wird.

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Es ist erwünscht, den pH-Wcrt des Nährmediums auf einen geringen Wert, nämlich weniger als 3,5, vorzugsweise weniger als 3,0 zu steuern, wie die folgende Tabelle, die den pH-Wert gegenüber der herstellbaren Menge der organischen Verbindung bei der Durchführung der Erfindung aufführt, allgemein zeigt.

Tabelle I

Stickstoffquelle pH

Erzeugte organische Verbindung (mg/ml)

	2,60
do.	2,52
do.	2,49
do.	2,45
do.	2,70
NaNO₅	3,10
do.	3,28
do.	3,30
do.	3,60
Harnstoff	2,63
do.	2,52
do.	2,45
do.	2,70

42 64 71 59 20 42 48 72 28 40 57 45 20

Im Lauf des Gärprozesses ist es auch erwünscht, Sauerstoff in bestimmtem Maß im Nährmedium zu ergänzen, um dieses in einem bestimmten aeroben Zustand zu halten.

Wie schon erwähnt, hat die BearbeitungsflUssigkeit gemäß der Erfindung die Eignung, Korrosion und Rost bei Metallen

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- τ-

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zu inhibieren, die durch den bekannten wäßrigen Grundbestandteil der Flüssigkeit unverzüglich korrodiert oder rostig werden. Sie ermöglicht so vorteilhaft die Verwendung von Gußeisen als Konstruktionsmetall der Maschine oder Maschinenteile, die herkömmlich kritisch waren, und macht demgemäß die Maschinen billiger. Sie ermöglicht ebenfalls vorteilhaft die Einrichtung von Maschinen in einer Fabrik mit anderen Anlagen ohne Berücksichtigung der Verhinderung von Rost durch Abgasrauch von den Maschinen. Weiter wird die Pumpe für die BearbeitungsflUssigkeit frei von Kavitation und somit billiger. Außerdem verringert sich das Verstopfen des Filters für die Flüssigkeit, wodurch die Beseitigung von eingefangenen Teilchen daraus erleichtert und somit die Maschine wiederum billiger wird. Es ist auch offensichtlich, daß das Antirostverhalten der EearbeitungsflUssigkeit gemäß der Erfindung den Maschinenbetrieb erheblich erleichtert und störungsfrei macht. Es ist weiter festzustellen, daß die BearbeitungsflUssigkeit selbst die Materialkosten praktisch nicht erhöht und durch Einführen des zusätzlichen Bestandteils gemäß der Erfindung nicht nachteilig oder schädlich wird.

Die erfindungsgemäße BearbeitungsflUssigkeit kann, wenn sie zur elektrochemischen Bearbeitung verwendet wird, vorteilhaft als Grundbestandteil eine wäßrige Lösung wenigstens eines Stoffes der Gruppe Sulfat, z. B. Natriumsulfat, Chlorid, z. B. Natriumchlorid, Chlorat, z. B. Kaliumchlorat, Phosphat, z. B. Kaliumphosphat, Nitrat, z. B. Natriumnitrat, Nitrit, z. B. Natriumnitrit, und Karbonat, z. B. Natriumkarbonat, enthalten.

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Die erfindungsgemäße Bearbeitungsflüssigkeit kann, wenn sie zur elektrischen Entladungsbearbeitung verwendet wird, vorteilhaft als Grundbestandteil Wasser enthalten und einen spezifischen Widerstand im Bereich von ICr bis ICK Ohm.cm aufweisen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Bearbeitungsfliissigkeit weiter mikrofeine Festteilchen einer Teilchengröße im Bereich zwischen 5 und I50 Millimikron (nm) enthalten, die aus SiO, Al₂O,, MgO, ZrO, TiO₂ oder Fe₂O, bestehen können. Durch Zusatz solcher mikrofeinen Teilchen, so wurde gefunden, vergrößerte die Bearbeitungsflüssigkeit die Filmbruchbeständigkeit an der Grenzfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erheblich.

Beispiel 1

100 1 eines wäßrigen Nährmediums, das 10 % Glukose, je 0,05 bis 0,5 $> MgSOj₁, KH₂PO^ und NHj₁Cl und Rest Leitungswasser enthält,werden nach Entkeimung zum Züchten von Pilzen verwendet, die zur Art "Penicillium spiculisporum Lehman No. 10-1" gehören und in einem Anteil von 0,01 - 0,05 dem Nährmedium zugesetzt werden. Während der Züchtung, die bei einer Temperatur von 30 ⁰C 10 Tage durchgeführt wird, läßt man eine Drehschwingung von 120 U/min ständig auf das Medium einwirken, um es ständig in Bewegung zu halten und den Sauerstoff darin ausreichend und in bestimmtem Ausmaß zu erneuern.

Die gegorene Flüssigkeit wird dann einer Flussig-Fest-Trennstufe unterworfen, in der eine Flüssigkeit von etwa 90 1 mittels eines Zentrifugenseparators, der mit j56OO U/min

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rotiert, erhalten wird, die 0,7 bis 1 Jo der zu einer aliphatischen Säure gehörenden Verbindung enthält. Dieses Flüssigkeitsprodukt hat einen pH-Wert von 1,8 bis 2,2.

Das mikrobielle flüssige Produkt wird in einem Anteil von 2 Vol. % mit einer wäßrigen Lösung vermischt, die 1 Gew. % NaNO,, und 1,2 Gew. £ Na₂CO, enthält, wobei die Mischune einen pH-Wert von 11 aufweist. Wenn diese Flüssigkeit zur mechanischen Bearbeitung verwendet wird, bildet sich an der Werkstückoberfläche kein Rost. Anschließend wird eine Flüssigkeit, die durch Vermischen des mikrobiellen Produkts in einem Anteil von 2 Vol. # mit einer wäßrigen Lösung, die 3 Gew. # NaNO₂ und 1,2 Gew. # Na₂ enthält, erhalten wird und einen pH-Wert von 11 aufweist, zum elektrochemischen Schleifen verwendet, und auch in diesem Fall wird an der Werkstückoberfläche kein Rost entwickelt.

Das in der Trennstufe von dem vorstehend beschriebenen flüssigen Produkt abgetrennte feste Produkt kann getrocknet werden, und die zu^e SfSphatischen Säure gehörende organische Verbindung wird getrennt und gewonnen, indem man davon ftyzelien nach einem Alkohol-Extraktionsverfahren entfernt. Während, man 0,9 kg des Feststoffes abtrennt, er hält men} kg der organischen Säure durch die Alkohol- . Extraktion und Destillation.

Die erhaltene organische Säure wird in einem Anteil von 0,2 Gew. *$> in Methanol gelöst und dann mit ein€r wäßrigen Lösung vermischt, die 3 Gew. # NaNO₂ und 0,25 Gew. % Na₂CO, enthält. Die erhaltene Flüssigkeit, die einen pH-Wert von

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/3

10,2 aufweist, wird sowohl zur mechanischen Bearbeitung als auch zum elektrochemischen Schleifen verwendet, und in beiden Fällen entwickelt sich kein Rost. Die Verwendung der gleichen, Wasser zugesetzten organischen Säure ergibt beim elektrischen Entladungsbearbeiten, daß sich ebenfalls kein Rost bildet.

Beispiel II

Aus "SKD llⁿ (Legierungsstahl für Kaltverformungsformteile) bestehende Werkstücke werden elektrochemisch mit ^Bearbeitungsflüssigkeiten bearbeitet, die 100 g/l Natriumnitrat und 40 g/l Rochellesalz (Kaliumnatriumtartrat) und variierte Anteile der organischen Säure, nämlich (A) 0,005 $. (B) 0,01 £, (C) 0,05 %, Φ) 0,1 % und (E) 0 % enthalten. Die Bearbeitungsbedingungen sind folgende: Bearbeitungsart: Schleifen, Elektrolysierspannung: 12 V, Bearbeitungsstrom: 100 A/cm , verwendete. Scheibe: . verschiedene Arten einer elektrischjleitenden Scheibenelektrode, Treibdruck: 5 bis 10 kg/cm , Schneidtiefe : 1 bis 15 mm und Vorschubgeschwindigkeit: 5 bis 80 mm/min. Wenn Bearbeitungsflüssigkeiten B, C und D verwendet werden, verringert sich der Schleifwiderstand um 5 bis 20 %, wodurch ein glatter Portschritt der Bearbeitung ermöglicht wird, und man erhält bearbeitete Oberflächen eines Rauhigkeitsgrades von 0,5 bis 1 /um max. Die Flüssigkeiten B, C und D sind im Rostinhibierverhalten überlegen, obwohl auch die Flüssigkeit A diese Eignung hat und im Vergleich mit der bekannten Flüssigkeit E ausgezeichnet ist.

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Beispiel III

Aus "SKD 6l" zusammengesetzte Werkstücke werden mit Flüssigkeiten bearbeitet, die 60 g/l Natriumchlorid und 35 g/l Natriumhydroxid und variierte Mengen der organischen Säure, nämlich (F) 0,005 %, (G) 0,01 %, (H) 0,05 %> (I) 0,1 % und (J) 0 % enthalten, wobei gleichartige Bearbeitungsbedingungen wie die im vorigen Beispiel angewendet werden. Das Ergebnis zeigt im wesentlichen identische Rostinhibierfähigkeiten und Formungseigenschaften wie im vorigen Beispiel. Weiter wird bei Verwendung der Flüssigkeiten G, H und I der Schleifwiderstand wiedererheblich verringert, und man erhält im Vergleich mit der Flüssigkeit (J) einen glatteren Bearbeitungsbet_^rieb.

Beispiel IV

Ein Natriumsalz einer aliphatischen Säure, hergestellt nach idem im Beispiel I beschriebenen Verfahren, wird mit Leitungswasser in einem Anteil von 0,015 % vermischt, und die Mischung hat einen spezifischen Widerstand von 2 χ IQr 0hm.cm. Mit dieser Flüssigkeit wird ein aus "SKD-Il" bestehendes Werkstück durch elektrische Entladung bearbeitet, und am Werkstück tritt nach Verstreichen einer Zeit von 72 h nach der Bearbeitung kein Rost auf. Weiter beobachtet man, daß der Bearbeitungsprozeß eine erhöhte Stabilität und Wirksamkeit zeigt. Dies ist anscheinend teilweise auf die Tatsache zurückzufuhren, daß der Widerstand der Bearbeitungsflüssigkeit justierbar im Bereich zwischen ICr und ICr 0hm.cm auch mit dem erfindungsgemäßen Zusatz gehalten wird.

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/tr

Beispiel V

Man stellt eine Bearbeitungsflüssigkeit durch Vermischen einer nach dew im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellten organischen Säure mit 2 Vol. Jo Natriumhydroxid, 5 Vol. £ Natriumnitrat und 0,5 Vol. £ Sesamöl her, wobei die flüssige Mischung einen pH-Wert von 9 aufweist. Hit dieser Flüssigkeit wird ein aus "S55C" (einem 0,55 Gew. % Kohlenstoff enthaltendenstehJ) bestehendes Werkstück mit einem Werkzeug geschliffen,das aus einem mit Diamantteilchen beschichteten Metalldraht besteht. Als Ergebnis wird eine Menge von 0,018 g vom Werkstück in 5 Minuten ohne Rostbildung entfernt. Bemerkenswert ist, daß man die Wirkung des Zusatzes des pflanzlichen Öls (hier Sesamöl) als Entschäumer der Flüssigkeit beobachtet, so daß die Kühlwirksamkeit im Bearbeitungsbereich scharf ansteigt.

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BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1. BearbeitungsflUssigkeit aus einem Grundbestandteil in Form einer wäßrigen Lösung und einem korrosionsinhibierenden Zusatz, dadurch gekennzeichnet, daß der korrosions inhibierende Zusatz eine organische Verbindung ist, die durch einen Gärprozeß mittels Züchtung eines Mikroorganismus in einem Nährmedium, das ein Saccharid, eine Stickstoffquelle und ein anorganisches Salz enthält, .erzeugt, in einer Nährlösung angereichertund von der Nährlösung abgetrennt und gewonnen ist.

2. Bearbeitungsflüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung eine aliphatische Säure oder ein wasserfreies Derivat davon ist.

3. Bearbeitungsflüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus aus Pilzen bes.teht, _r die aus der aus einem Bakterium der Arthrobactergattung,

Penicillium spiculisporum, Aspergillusjspiouiisporum und Hefepilzen der Candiagattung bestehenden Gruppe gewählt sind.

4. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß das Saccharid wenigstens eine aus der aus Glukose, Fruktose, Suorose, Melasse und Stärke gewählte Verbindung ist.

5. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Stickstoffquelle wenigstens eine aus der aus Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat, Ammoniumphosphat,

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flüssigem Ammonium, Ammoniumtartrat, Natriumnitrat, Harnstoff, Maisquellwasser, Pepton, Hefeextrakt, Fleischextrakt und Kasein bestehenden Gruppe gewählte Verbindung ist.

6. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,daß das anorganische Salz wenigstens eine aus der aus Magnesiumsulfat, Natriumphosphat, saurem Kaliumphosphat, Ferrosulfat und Zinksulfat bestehenden Gruppe gewählte Verbindung ist.

7. Bearbeitungsflüssigkeit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichne t,da 13sie0,1 bis 3 Vol. % pflanzliches öl enthält.

8. Verfahren zur Herstellung einer BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in bestimmtem Durchsatz im Nährmedium während des Gärprozesses zum Halten des Mediums in einem bestimmten aeroben Zustand erneuert wird.

9. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 2 zur Verwendung bei der elektrochemischen Bearbeitung, dadurch gekennzeichnet,daß der Grundbestandteil wenigstens eines der Salze dei^us Sulfat, Nitrat, Nitrit, Chlorid, Chlorat, Phosphat und Karbonat bestehenden Gruppe enthält.

10. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 2 zur Verwendung beim Bearbeiten mittels elektrischer Entladung, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundbestandteil Wasser enthält und die Flüssigkeit einen spezifischen Widerstand im Bereich von 10^ bis ICr Ohm.cm aufweist.

11. Verwendung der BearbeitungsflUssigkeit nach. Anspruch 2 zur Kontakt- oder mechanischen Bearbeitung.

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12. Bearbeitungsflüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung eine Molekularstruktur mit wenigstens 10 Kohlenstoffatomen, 3 Karboxygruppen und einer Hydroxidgruppe aufweist.

13· Bearbeitungsflüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mikrofeine Festteilchen einer Teilchengröße im Bereich von 5 bis I50 Millimikron (nm) enthält.

14. BearbeitungsflUssigkeit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus wenigstens einem aus der aus SiO, AlgO,, MgO, ZrO, TiO₂ und Pe₂O₅ bestehenden Gruppe gewählten Stoff zusammengesetzt sind.