随着机械制造业的发展和高速切削技术的应用,传统的工具钢和硬质合金刀具已不能满足现代加工产业的需求,Si₃N₄陶瓷刀具具有高强度、高硬度、高耐磨、良好的抗热冲击和抗机械冲击性能,可广泛应用于切削灰铸铁和镍基高温合金等。通过引入烧结助剂,基于液相烧结机制可以制备高性能的Si₃N₄陶瓷材料,液相的性质（如低共熔温度和粘度等）对Si₃N₄陶瓷的致密化、相变、晶粒生长、显微结构和力学性能具有重要影响,而烧结温度、助剂种类和含量是调控液相性质的重要因素。因此,对于不同的烧结助剂体系,应该确定其合适的烧结温度和含量。此外,作为切削工具的应用,需探究Si₃N₄陶瓷刀具的切削性能与显微结构、力学性能之间存在的关系。本文以Al₂O₃-Y₂O₃和MgO-Y₂O₃为二元烧结助剂,通过调控烧结温度和助剂含量采用热压烧结制备了Si₃N₄陶瓷刀具材料,研究了烧结温度、助剂种类和含量对Si₃N₄陶瓷的致密化、相变、晶粒生长、显微结构和力学性能的影响。此外,通过对具不同显微结构的Si₃N₄陶瓷刀具进行高速切削灰铸铁实验,系统研究了切削性能与制备工艺、显微结构、力学性能之间的关系。研究结论如下:（1）通过分别添加10wt%Al₂O₃-Y₂O₃或10wt%MgO-Y₂O₃助剂,在1600℃、1700℃和1800℃下热压烧结制备Si₃N₄陶瓷,研究了烧结温度对这两种助剂体系下Si₃N₄陶瓷的致密度、物相、显微结构和力学性能的影响。结果表明:与Al₂O₃-Y₂O₃助剂相比,MgO-Y₂O₃助剂可以较好地改善Si₃N₄陶瓷的致密化,Si₃N₄-MgO-Y₂O₃陶瓷在1600℃可实现完全致密。对于Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃和Si₃N₄-MgO-Y₂O₃陶瓷,提高烧结温度均可以促进Si₃N₄陶瓷的α→β相变和双峰结构形成。以Al₂O₃-Y₂O₃为助剂时,热压温度为1800℃时所制备的Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃陶瓷具有较好的综合力学性能,硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为15.60±0.27GPa、1105.99±68.39MPa和7.13±0.37MPa·m^?;以MgO-Y₂O₃为助剂时,热压温度为1600℃时所制备的Si₃N₄-MgO-Y₂O₃陶瓷具有较好的综合力学性能,其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为16.53±0.21GPa、1166.90±61.73MPa和6.74±0.17MPa·m^?。因此,通过对不同温度下两种Si₃N₄陶瓷综合分析,Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃陶瓷适合高温烧结,最佳烧结温度为1800℃,而Si₃N₄-MgO-Y₂O₃陶瓷适合低温烧结,最佳烧结温度为1600℃。（2）基于上述综合分析,将含Al₂O₃-Y₂O₃助剂的Si₃N₄陶瓷烧结温度定为1800℃,含MgO-Y₂O₃助剂的Si₃N₄陶瓷烧结温度定为1600℃,研究了助剂含量（6wt%、8wt%和10wt%）对Si₃N₄陶瓷的致密度、物相、显微结构与力学性能的影响,结果表明:添加6wt%的Al₂O₃-Y₂O₃或MgO-Y₂O₃助剂即可获得高致密Si₃N₄陶瓷,提高助剂含量对两种Si₃N₄陶瓷的致密度影响不大,但能促进高温下Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃陶瓷的相变。以Al₂O₃-Y₂O₃为助剂时,随着助剂含量的增加,Si₃N₄晶粒直径增大,长棒状晶粒显著增加,长径比增大;以MgO-Y₂O₃为助剂时,助剂含量对Si₃N₄陶瓷的晶粒尺寸影响不大,但使其长径比显著增大。通过对不同助剂含量下两种Si₃N₄陶瓷综合力学性能分析,提高助剂含量均会降低硬度和改善断裂韧性,但对抗弯强度基本没有影响。（3）将上述不同烧结温度和不同助剂含量下制备的具不同显微结构的Si₃N₄-Al₂O₃-Y₂O₃和Si₃N₄-MgO-Y₂O₃陶瓷加工成刀具进行切削灰铸铁研究,探究Si₃N₄陶瓷刀具的切削性能与制备工艺、显微结构、力学性能之间存在的内在关系。结果表明:两种Si₃N₄陶瓷刀具的主要磨损机理都是磨粒磨损和粘结磨损。以Al₂O₃-Y₂O₃为助剂时,1800℃制备Si₃N₄陶瓷刀具具有更优异的切削性能,以MgO-Y₂O₃为助剂时,1600℃制备Si₃N₄陶瓷刀具切削性能更好。同时,不依赖于烧结助剂种类,减少助剂含量均能显著提高两种Si₃N₄陶瓷刀具的切削性能。基于切削性能与显微结构关系,发现具有细晶、高长径比柱状晶粒的显微结构有利于提高刀具的切削性能。Si₃N₄陶瓷刀具的切削寿命与硬度变化规律相同,而高的断裂韧性并不能保证刀具优异的切削性能,实际中应将两者调控在一个合理适用的范围,尤其是断裂韧性。