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向钠水玻璃砂中吹入CO 2 气体后，钠水玻璃（Na 2 O· m SiO 2 · n H 2 O）能快速硬化，钠水玻璃由液态变为固态的硬化机理，目前仍有不同的看法、尚无定论，归纳起来有如下几种观点：
1.化学硬化
在CO 2 气体作用下，钠水玻璃的化学硬化机理有多种不同的描述，其中较典型的描述为A.M.Лясс将钠水玻璃的硬化过程分为三个阶段：
1）硅酸钠的分解——在CO 2 气体作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并放出热量。
Na 2 Si 2 O 5 +CO 2 →Na 2 CO 3 +2SiO 2 +Q
2）硅酸凝胶的形成——SiO 2 的水合作用。
m SiO 2 + n H 2 O→ m SiO 2 · n H 2 O
3）硅酸凝胶部分失去结合水（这是一个吸热过程）。
m SiO 2 · n H 2 O→ m SiO 2 · p H 2 O+（ n - p ）H 2 O
硅酸凝胶含水越少，型砂就越坚固，型砂的强度也越高。
2.物理硬化
朱纯熙教授等认为，水玻璃CO 2 硬化的本质是物理硬化，水玻璃能够硬化，并非在于化学反应，而是依赖于CO 2 的脱水作用；而且，水玻璃硬化后的机械强度，主要来源于水玻璃的脱水。朱教授等经进一步的研究后认为：硬化水玻璃是脱水的高模数水玻璃。
3.复合硬化
R.Worthington等学者认为，CO 2 硬化水玻璃过程中，既有化学硬化反应，同时也有物理硬化作用，是二者的复合。他认为：钠水玻璃与CO 2 反应会生成硅酸凝胶，这属于化学硬化；而CO 2 是一种干燥性很强的气体，其露点约为-30℃，它可以加速钠水玻璃的干燥过程，产生物理的或玻璃质的黏结，属于物理硬化。
目前，赞成复合硬化观点的学者似乎更多。由于CO 2 是一种脱水能力较强的气体，当型砂中吹入CO 2 气体时，气体从砂粒周围流过，CO 2 与水玻璃黏结剂的接触面积大，使钠水玻璃部分失水；同时CO 2 与钠水玻璃中的水作用形成碳酸（H 2 CO 3 ），从而使表层钠水玻璃的pH值不断降低，并达到迅速硬化。因此，CO 2 气体硬化既有钠水玻璃的物理脱水作用，也有化学反应，二种机理难以截然分开（尽管有一种作用占主导地位），通常型砂的黏结是两种作用的综合结果。过分强调化学反应或强调物理脱水而忽视另一方面的作用的观点都是片面的。
图2-10所示为CO 2 硬化后包裹在砂粒表面的钠水玻璃黏结剂膜的结构模型。黏结剂膜由两层组成：表层Ⅰ的主要成分是硅酸钠胶体以及Na 2 CO 3 和NaHCO 3 结晶，里层Ⅱ的主要成分是硅酸钠胶体。两层的相对厚度取决于钠水玻璃的化学反应程度，受硬化工艺、钠玻璃模数等因素的影响。
图2-10 钠水玻璃黏结剂膜的结构模型
CO 2 气体硬化钠水玻璃砂的使用性能包括：操作性能（可使用时间、不黏模性等），湿强度，硬化强度（常温硬化强度、存放性等），高温性能（高温强度、热膨胀、发气性、黏结性等），硬化速度（硬透性等），表面稳定性，溃散性，等等。不同性能之间会互相影响。其中，最为重要性能（或最引人关注）的是钠水玻璃砂的常温硬化强度、溃散性、表面稳定性等。
1.硬化强度
吹CO 2 气体硬化钠水玻璃砂的硬化强度取决于原砂的质量及含水量，水玻璃的模数、密度、加入量，吹气时间等。下面对影响硬化强度的各主要因素进行分析。
1）模数和吹气时间。CO 2 气体硬化钠水玻璃砂的即时强度 σ 0 （吹CO 2 气体硬化后即时测定的抗压强度）和水玻璃模数与吹气时间的关系如图2-11所示。可以看出，达到相同即时强度需要的吹气时间随钠水玻璃模数降低而延长。
吹CO 2 气体硬化后存放24h测定强度（即24h存放抗压强度 σ 24 ），存放强度 σ 24 和即时强度 σ 0 与水玻璃模数的关系如图2-12所示。可以看出，存放强度 σ 24 随即时强度 σ 0 增加而降低，但模数高的水玻璃降低幅度更大，这说明模数高的水玻璃容易产生过吹，过吹使存放强度降低。
图2-11 即时强度和水玻璃模数与吹气时间的关系
1— m =2.0 2— m =2.2 3— m =2.4 4— m =2.6
图2-12 即时强度 σ 0 和存放强度 σ 24 与水玻璃模数的关系
1— m =2.0 2— m =2.2 3— m =2.4 4— m =2.6
2）原砂的质量。原砂对硬化强度的影响见表2-6。通常，含泥量低、粒形系数小的原砂其硬化强度高，而含泥量较高、粒形系数大的原砂其硬化强度较低。因此，提高原砂的质量，可以降低水玻璃的加入量。
表 2-6 原砂对硬化强度的影响
图2-13 水玻璃加入量对硬化（抗压）强度的影响
3）加入量。水玻璃加入量对硬化（抗压）强度的影响如图2-13所示。水玻璃含量越高，硬化强度也越高；但需要较长的吹气时间和消耗较多的CO 2 气体，水玻璃加入量过多还会造成铸件的落砂清理困难。
4）密度。水玻璃密度大，表明其中含有的硅酸钠固体多，因而硬化后的强度高。但密度过大时，黏性过大，难以混砂均匀；密度过小，含水量大，型砂的强度低，容易使铸件产生气孔缺陷。我国铸造用CO 2 气体硬化水玻璃模数通常为2.2～2.6，密度为1.48～1.52g/cm 3 （即48～52°Be）。高模数水玻璃的黏度对水分比较敏感，通常其水分含量较高、密度较低。
5）型砂水分。水玻璃砂应有适当的含水量。水分过低的水玻璃不能充分水解，因而吹CO 2 气体硬化后强度较低，而且导致水玻璃砂的保存性较差；水分过高时由于吹硬后的残留水分较多，强度也不高，且易使铸件产生气孔缺陷。水分的适宜含量随水玻璃的模数而异，高模数的适宜水分比低模数的高，如图2-14所示。一般将水玻璃砂的水分含量控制在3.0%～5.5%。
总之，对CO 2 水玻璃砂常温强度（即时强度 σ 0 、存放强度 σ 24 ）的要求，由型（芯）大小和生产条件决定。在操作仔细的条件下，常温强度有0.5～0.7MPa就能满足要求，即普通CO 2 水玻璃砂的水玻璃加入量可降至5%以下。但我国一些工厂的水玻璃加入量偏高（有的高达8%～10%），其主要原因包括：原砂的质量差、砂温过高；要求的可使用时间过长；吹CO 2 时间不加控制，经常过吹；模具的质量差，操作不够细致；要求很高的常温强度等。增加水玻璃加入量可以使上述问题得到解决，但恶化了溃散性及旧砂的再生性。
图2-14 水分对水玻璃砂硬化（干拉）强度的影响
2.溃散性
溃散性是指型砂在加热后失去强度容易溃散的性能，通常在实验室条件下测定。出砂性则指浇注后砂芯是否容易出砂的性能，一般说来，溃散性好出砂性亦好，但由于砂芯的加热冷却条件和试样不同、有芯骨妨碍出砂等，故两者并不完全相同。水玻璃砂的溃散性常用砂试样的残留强度来表示，溃散性测定方法详见第9章。
CO 2 水玻璃砂的溃散性通常较差。其主要原因是：加热到800℃左右时，水玻璃黏结膜即出现液相，使膜的内应力、裂纹、气孔等缺陷消失，冷却后成为完整的玻璃黏结膜；在高温下发生有液相参加的烧结使砂粒间的接触面积增加。这两者都使烧结后的水玻璃砂有很高的残留强度。
改善水玻璃砂溃散性，主要是降低加热到800℃以上的残留强度。主要措施有：
1）降低水玻璃的加入量。在保证常温强度的条件下，尽量降低水玻璃的加入量是改善水玻璃砂溃散性的基本措施和重要方法，如图2-15所示。
2）适当提高水玻璃的模数和降低水玻璃的密度。较高模数的水玻璃砂具有残留强度低、抗吸湿性好、吹CO 2 时间短等优点；而水玻璃的密度低，水玻璃的加入量相对减少。
3）采用改性水玻璃。改性水玻璃能提高水玻璃的常温强度、减少水玻璃的相对加入量。
4）采用新的水玻璃砂工艺。如真空CO 2 水玻璃砂、脉冲CO 2 水玻璃砂、酯硬化水玻璃砂等新工艺，能较大地减少水玻璃的加入量，其溃散性较普通CO 2 水玻璃砂大为提高。
5）加入附加物。在水玻璃砂中加入木屑、煤粉等，能降低200～300℃的残留强度；加入铝矾土、高岭土、镁砂粉、石灰石粉、氧化铁粉等，可以降低800℃以上的残留强度。
水玻璃砂的常温硬化强度和残留强度（溃散性）存在着一定的关系，通常表现为常温硬化强度越高，其残留强度也高，其溃散性就差。硬化强度高、溃散性好是人们追求的目标和理想。但不应以追求过高的常温硬化强度（即加入过量的水玻璃）为代价而恶化水玻璃砂的溃散性；相反，应在保证足够的常温强度的前提下，尽量减少水玻璃的加入量。实践和研究结果表明，减少水玻璃的加入量是改善水玻璃砂溃散性最有效的方法。
3.表面稳定性
硬化后的CO 2 水玻璃砂型（芯）在存放一定时间后，型（芯）的棱角或表面容易发酥，用手擦抹较容易掉砂，而砂型（芯）的整体强度并未显著降低。表面稳定性不好的水玻璃砂型（芯）很容易造成铸件表面的砂眼缺陷，因此表面稳定性有时比硬化强度还重要。
表面稳定性随水玻璃的加入量增加而提高；原砂质量差、CO 2 气体过吹、水玻璃的模数高、环境的相对湿度大等都会使表面稳定性降低。表面稳定性的测定方法详见第9章。
图2-15 水玻璃加入量对CO 2 水玻璃砂试样残留强度的影响
注：原砂平均细度AFS55，水玻璃模数 m =2.4，水玻璃固体含量47%；试样加热前，吹气硬化到抗压强度0.7MPa。
普通CO 2 气体硬化水玻璃砂，往往要吹过量的CO 2 气体，以便能将砂型中的空气排挤出去。为此，CO 2 气体的压力、温度以及水玻璃砂型（芯）内砂粒间的气压大小等对CO 2 气体硬化水玻璃砂的硬化强度及硬化速度等都有很大影响。为了克服这些不利影响，研究开发出了真空CO 2 吹气、脉冲CO 2 吹气、加热CO 2 吹气等新工艺技术。
1.真空CO 2 吹气法（VRH-CO 2 法）
真空CO 2 吹气法的硬化机理认为：当真空度抽至操作温度下水的饱和蒸汽压附近时，水玻璃中大量自由水脱失，形成大量线型或体型的硅酸钠聚合物，并形成无数极其细小的微粒；当向真空室内通入CO 2 气体时，这些聚合度较大的胶粒就成为胶凝化的核心，在它上面聚硅酸聚集成长，而形成大量的尺寸和形状均匀的团粒状凝胶体结构。由于这些微粒极多，因而形成的凝胶中组织极其细密，CO 2 气体在胶粒表面硬化时能产生很大的表面张力，使得凝胶团粒内聚力上升，团粒小而均匀，从而显著地提高水玻璃砂的硬化强度。
在VRH-CO 2 法中，真空度的大小对水玻璃砂硬化强度有重大影响，不同真空度对CO 2 气体硬化水玻璃砂型（抗压）强度的影响如图2-16所示。
2.脉冲CO 2 吹气法
脉冲CO 2 吹气法采用间隔吹气的方式，有利于CO 2 气体在水玻璃砂中扩散、防止过吹、提高CO 2 气体的硬化潜力。脉冲吹气与连续吹气的硬化强度对比见表2-7。表2-7中，CO 2 气体流量为2.5m 3 /h，水玻璃模数 m =2.8，水玻璃加入量4%； σ 10min 、 σ 24h 、 σ 48h 分别为吹气后10min、24h、48h测得抗压强度， σ 800 ℃为800℃时的残留强度。从表中可看出，脉冲CO 2 吹气法可以较大地提高CO 2 水玻璃砂的24h硬化强度，并使其存放强度大幅度提高。
图2-16 真空度对CO 2 气体硬化水玻璃砂型（抗压）强度的影响
表 2-7 脉冲吹气与连续吹气的抗压强度对比 （单位：MPa）
3.加热CO 2 吹气法
采用瓶装CO 2 气体硬化水玻璃砂时，从钢瓶中流出的CO 2 气体温度一般均小于5℃。当CO 2 气体的温度从15℃升至60℃时，CO 2 气体的消耗降低，水玻璃砂的硬化强度提高，如图2-17、图2-18所示。温度的上升，可以增加CO 2 的反应活性，有利于CO 2 气体硬化潜力的发挥。
图2-17 CO 2 气体温度对气体消耗量的影响
图2-18 CO 2 气体温度对钠水玻璃砂（水玻璃含量为4%）抗拉强度的影响
1—吹CO 2 温度：60℃，时间：2.5s 2—吹CO 2 温度：50℃，时间：3.0s 3—吹CO 2 温度：40℃，时间：3.5s 4—吹CO 2 温度30℃，时间：4.5s 5—吹CO 2 温度：15℃，时间：5.0s
由上述三种CO 2 吹气新工艺，还可组合成“真空—脉冲CO 2 吹气”、“加热—脉冲CO 2 吹气”等。试验研究表明，这些新的工艺组合都优于普通CO 2 气体吹气工艺。