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硬化水玻璃砂工艺由捷克人L.Petr
ela于1947年研究成功，并于1948年获得英国专利。随后，CO
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硬化水玻璃砂工艺得到了快速地推广应用，使得造型、制芯速度大大加快，铸件质量显著提高，由此推动了铸造生产进入采用化学黏结剂砂的新时期。
1952年水玻璃砂工艺经苏联、捷克专家介绍到我国，先是作为快干砂在铸钢件的生产中使用，1956年前后吹CO 2 气体硬化工艺也得到推广应用。直至今日，我国大多数的铸钢件和部分大型铸铁件仍然采用水玻璃砂工艺生产。
由于CO 2 硬化水玻璃砂的混制、紧实、硬化、起模等工序均很简易，加上CO 2 便宜、易得、安全、不需要净化排放，应用之初就受到了铸造工作者的广泛欢迎，推广应用的速度也很快，有些人甚至认为此法可以全面解决制芯、造型中的问题。但是不久，它的缺点就暴露出来，并开始了它几起几落的发展经历。
总体上看，水玻璃砂工艺经历了三个发展阶段：CO 2 吹气硬化水玻璃砂、粉末硬化剂自硬水玻璃砂和液态有机酯自硬水玻璃砂，有人将其称为三代水玻璃砂。
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吹气硬化水玻璃砂（简称“CO
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水玻璃砂”）自20世纪50年代引入铸造工业以来一直是最被广泛采用的工艺，此法既可用于大量生产和单件小批量生产的铸型制造，也适用于大、小泥芯的生产。普通CO
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水玻璃砂工艺，大都由纯净的人造（或天然）硅砂加入6.0%～8.0%
的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的大型铸件或质量要求高的铸钢件砂型（芯），全部面砂或局部采用镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、锆砂等特种砂代替硅砂较为有利。为了使水玻璃砂具有一定的湿强度和可塑性，以便脱模后再吹CO
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硬化，可加入1%～3%的膨润土或3%～6%的普通黏土；为了改善水玻璃砂的溃散性或出砂性，可加入一定量（通常为1%～5%）的溃散剂或溃散性物质（如木屑、石棉粉等）。
水玻璃砂可采用各类混砂机混制，如辗轮式混砂机、叶片式混砂机等。混好的砂通常放在有盖的容器内或覆盖有湿麻袋的场地待用，以免砂中的水分挥发和与空气中的CO 2 接触而硬化。
水玻璃砂具有良好的流动性，造型、制芯时可采用手工紧实，也可采用振动紧实。通常是吹CO 2 气体硬化后起模；再硬化一定时间后，组芯、合箱等再浇注。
CO 2 吹气硬化的方式也多种多样。有插管吹气法、盖罩吹气法等（工艺装置详见第3章）。要求CO 2 能迅速均匀地进入型（芯）的各个部位，以最少的CO 2 消耗量达到均匀硬化型（芯）各部位之目的，避免出现不能硬化（或硬化不良）的死角。
普通CO 2 水玻璃砂工艺的缺点：水玻璃加入量较多（7.0%～9.0%），溃散性较差，旧砂再生困难；硬化过程不太稳定，会使铸型（芯）产生“过吹”现象，导致铸型（芯）强度的下降；对于大型铸件的型（芯）表面易粉化，而内部又难以硬透，使铸件形成夹砂、鼠尾、砂眼等缺陷；型（芯）砂的吸湿性较强，在湿度较大的天气下，贮放的稳定性较差。
普通CO 2 水玻璃砂工艺中，CO 2 不能被充分吸收、消耗量大，同时常出现硬化不均匀的现象。真空CO 2 吹气硬化水玻璃砂克服了普通CO 2 吹气硬化水玻璃砂的某些缺点，它是CO 2 吹气硬化水玻璃砂工艺的技术进步。
真空CO 2 吹气硬化水玻璃砂工艺（Vacuum Replace Hardening），简称为VRH法，是于1982年由日本人小林一典研究发明的。VRH法是把真空V法与CO 2 水玻璃砂工艺结合起来形成的一种“物理-化学”硬化法。它是将造型紧实后的水玻璃砂型（芯），连同模板一起送入一真空箱内抽气，当达到一定的真空度后，向箱内通入CO 2 气体，几分钟后铸型（芯）即可硬化达到一定的强度。铸型（芯）从真空箱内取出、进行起模，2～4h后即可浇注。
CO 2 吹气硬化之前对型（芯）抽真空，有两个优点：一是抽真空时，水玻璃中的水分蒸发，促使水玻璃脱水硬化；二是砂粒间隙中的空气几乎被抽净，当通入CO 2 时，气体迅速进入间隙中与砂粒表面的水玻璃均匀反应，进一步使之硬化。由于VRH法是一定真空度的条件下，CO 2 气体以极高的浓度与水玻璃接触，反应充分、迅速、均匀，用较少的水玻璃和CO 2 气体即可达到足够的铸型（芯）强度。VRH法的水玻璃加入量可降至3%～4%，CO 2 气体的消耗比普通CO 2 水玻璃砂工艺减少1/2～2/3。因此，VRH法既是来源于普通CO 2 水玻璃砂的工艺，又是优于普通CO 2 水玻璃砂的工艺。
VRH法的缺点是设备投资大，操作和维修要求严格，固定的真空室尺寸对于不同大小和不同形状型（芯）的适应能力差，因而制约了该工艺的广泛应用。
除VRH法外，用空气稀释的CO 2 吹气硬化（用“约10%CO 2 +约90%空气”的混合气体吹气硬化），加热的CO 2 吹气硬化（吹入铸型内前，将CO 2 加热至30～60℃），脉冲CO 2 吹气硬化（采用间隔脉冲方式吹入CO 2 气体）等，这些都是CO 2 水玻璃砂工艺的改进。有人将普通的和改进的CO 2 水玻璃砂工艺统称为“第一代水玻璃砂工艺”。
CO 2 水玻璃砂工艺的应用经过了发明初期的快速增长后，由于其缺点逐步被认识，加之自硬树脂砂的发明及应用（20世纪60年代）和黏土砂技术的改进及发展，取代了部分水玻璃砂工艺。一些国家CO 2 水玻璃砂工艺的应用迅速减少。但在我国，CO 2 水玻璃砂一直是生产铸钢件的主力型砂种类。
以粉末状硬化剂为主体的自硬砂是1964前后开发出来的，主要是应对大型铸件的水玻璃砂生产及当时一些工厂的CO 2 气体的供应困难。因为用CO 2 水玻璃砂工艺生产大型铸件时，铸型（芯）的CO 2 吹气时间既长又难于吹透，工艺性能不能满足要求，因而出现了以硅酸二钙（2CaO·SiO 2 ）、硅铁粉、赤泥、铬矿渣、各种水泥及氟硅酸钠等粉状硬化剂为主体的水玻璃自硬砂。
粉末状硬化剂的共同特点是能够吸附水、颗粒小、表面积大，脱水后引起水玻璃黏度增加，从而产生黏结力。此外，粉末硬化剂的化学性能也会对黏结力的形成产生很大的影响。一些粉末硬化剂与水玻璃均匀混合、经造型紧实后，由于硬化剂与水玻璃发生化学反应而硬化，在很短的时间内就可获得很高的型（芯）砂强度。这种自硬水玻璃砂的操作简便、成本低，能生产尺寸精度高、铸造缺陷少的铸件，特别是对中大型铸件的生产有利。
但是，粉末状硬化剂与水玻璃的化学反应仅发生在粉末颗粒的表面，颗粒内部被反应生成的硅凝胶所屏蔽，不能充分发挥效益，所以粉末状硬化剂的加入量一般都偏大（如硅铁粉的加入量为水玻璃加入量的20%～30%）。粉末硬化剂的加入，使型砂的总比面积增大，也使水玻璃的用量无法降低（水玻璃加入量需要5%～6%），它们的溃散性不比CO 2 水玻璃砂好。加之粉尘污染加剧，因而大大限制了粉末硬化剂在铸造生产中的应用。
“粉末硬化剂自硬水玻璃砂”被认为是第二代水玻璃砂，它没有得到大范围的推广，仅在少数工厂得到了应用。
液态有机酯自硬水玻璃砂（简称“酯硬化水玻璃砂”）开始出现于20世纪70年代初的美国。20世纪80年代后在我国逐步推广应用，近年来该工艺在我国的推广应用速度加快。酯硬化水玻璃砂工艺被认为是CO 2 水玻璃砂工艺发明以来，水玻璃砂技术的第二次大的突破。
“酯硬化水玻璃砂”具有水玻璃砂和自硬树脂砂的综合优势：
1）硬化剂（有机酯）无毒、无气味，黏度低、定量准、易混合均匀。
2）型砂的强度高、硬化速度可调，型砂的稳定性提高。
3）成本低、操作方便、劳动条件好，符合绿色环保要求。
4）水玻璃加入量可降至3%～4%（目前改性水玻璃的加入量可降至约2%），铸型浇注后的溃散性及旧砂的可再生性大为提高，铸件的落砂清理较容易。
酯硬化水玻璃砂工艺与自硬树脂砂工艺极为类似，常采用连续式混砂机或球形混砂机混制型（芯）砂、采用振动实现型（芯）砂的紧实，生产流水线的组成较简便（与黏土砂比较）。目前，酯硬化水玻璃砂的主要问题是需较好地解决其旧砂的再生回用。
酯硬化水玻璃砂被认为是第三代水玻璃砂，它克服了自硬树脂砂成本高、生产场地气味浓及劳动条件差等缺点，又具备了自硬树脂砂的优点，故被一些学者认为是绿色铸造的希望。
水玻璃砂的主要缺点有二：溃散性差和旧砂再生回用困难。溃散性差使得铸件的落砂清理困难；而旧砂废弃造成了严重的环境污染。为了解决这两大难题，铸造工作者做了不懈的努力，取得了很大的进展，尤其是对水玻璃砂工艺两大难题的理论认识有了突破。因此，离彻底解决水玻璃砂工艺的难题已为时不远。
1.对溃散性的认识
水玻璃砂溃散性差主要体现在水玻璃砂的残留强度高。CO 2 水玻璃砂的残留强度随温度的改变呈双峰特性（约在200℃和800℃时残留强度出现两个峰值），这两个峰值越高，水玻璃砂的溃散性越差。200℃时水玻璃砂的残留强度高，是由于此温度下硅酸凝胶和未反应的硅酸钠脱水强化的结果；800℃时硅酸钠开始熔融出现液相，熔融的硅酸钠冷却后形成坚固的玻璃体或晶体，因此残留强度高。
水玻璃砂的残留强度与水玻璃的加入量、水玻璃的模数、原砂的品质等因素有直接的关系。水玻璃的加入量越高，模数越低，水玻璃砂的残留强度越高。原砂质量的高低，直接影响水玻璃的加入量。原砂的质量高，达到使用要求强度的水玻璃加入量少，相应的水玻璃砂的残留强度也低；反之，原砂的质量差（如含泥量高、砂粒的角形系数小等），需要加入较多的水玻璃才能达到型砂的使用要求，很自然水玻璃砂的残留强度也高。实践表明，原砂质量对水玻璃砂的残留强度高低有着重大的影响。
为了改善水玻璃砂的溃散性，人们首先想到的是往水玻璃砂中加入附加物，即溃散剂。加入糖类、树脂类、纤维素类等有机物溃散剂，使其在200～600℃时受热挥发、汽化或燃烧碳化，破坏水玻璃黏结剂膜的完整性，并显著改善800℃以下水玻璃砂的溃散性。加入石灰石、氧化铁等无机物溃散剂，形成的新产物在水玻璃黏结剂膜中发生相变膨胀，造成黏结剂膜的裂纹或形成脆化膜，可以降低水玻璃砂在800～1100℃的残留强度。人们研究开发出了各种水玻璃砂溃散剂，但它们大多适用于某些特定的铸件或在某些特定的温度范围，几乎没有通用的高效的溃散剂。并且，粉状溃散剂的加入还会增加水玻璃的加入量。
水爆清砂工艺是我国解决水玻璃砂溃散性差、铸件清理困难的另一种广泛采用的清砂方法。水爆清砂工艺是将冷却至500～600℃的铸件快速放入水爆池内，水渗入炽热的铸件表面后，受热迅速汽化产生汽爆，使黏附于铸件表面的水玻璃砂受爆而脱离铸件表面，同时也使铸件得到了很好的清理。由我国科技人员开发的水爆清砂工艺，解决了我国20世纪60年代～70年代水玻璃砂生产的急需，为我国当时的社会主义建设做出了重大贡献。但是，用水爆清砂工艺生产的铸钢件表面易产生微裂纹，它降低了铸件的疲劳强度和其他力学性能，且铸件得不到国内外采购商的认可。因此，20世纪90年代以后，该工艺在一些重要零件的生产上被禁止使用。
经过数十年的探索，并随着酯硬化水玻璃砂工艺、VHR法等水玻璃砂新工艺的发明与应用，人们逐步认识到，减少水玻璃的加入量是提高水玻璃砂溃散性最有效的方法。因为由普通CO 2 水玻璃砂的6%～8%水玻璃加入量，到酯硬化水玻璃砂工艺和VHR法的3%～4%水玻璃加入量，至今改性酯硬化水玻璃砂的2%～3%水玻璃加入量，水玻璃砂的溃散性已得到大大改善，水玻璃砂溃散性差的难题基本得到了解决。这也是对水玻璃砂溃散性理论认识的巨大进步。
2.对旧砂再生回用的认识
解决水玻璃砂的溃散性问题是实现水玻璃旧砂再生回用的前提，因为旧砂再生前必须将旧砂块破碎成砂粒。实践表明，只有当水玻璃的加入量降至4%以下时，水玻璃旧砂块的破碎才较容易，才能为水玻璃旧砂的再生创造条件。
在水玻璃旧砂再生技术的研发方面，我国的科技人员也进行了大量的工作。在20世纪60年代～70年代，结合水爆清砂和水力清砂工艺，我国研究人员开发了水玻璃旧砂的湿法再生设备系统，并进行了大量的推广应用。这套湿法再生系统，投资较大、设备组成庞大复杂、再生脱膜率不太高（60%～70%）、污水的处理回用问题没有得到满意的解决。20世纪80年代～90年代，随着酯硬化水玻璃砂新工艺开始在我国的推广应用，我国对水玻璃旧砂再生工艺方法及装备的研究出现一个小高潮。如：郭景纯等的间歇式逆流干法再生机，石光玉等的干法再生工艺及设备系统，肖波等的连续式逆流干法再生机，樊自田的新型湿法再生工艺及设备系统，朱纯熙等的“化学再生”工艺方法等。以上工艺在实际中有所使用，各有其优缺点。
根据水玻璃旧砂的特点，普遍认为，可采用干法和湿法来再生。
干法再生系统简单、投资较少，但由于水玻璃旧砂强吸湿性和残留黏结剂的影响，使得干法再生的脱膜率低（5%～15%）、再生砂质量较差（再生砂的强度较低，可使用时间短），一般只能做背砂使用。进一步的试验研究发现：再生前对旧砂进行烘干处理，可以提高干法再生水玻璃旧砂的脱膜率（20%～30%），改善干法再生砂的性能，但是低温加热（120～200℃）不会使干法再生砂的性能有大的改变（还会提高干法再生砂的成本）；而高温加热（大于350℃）对干法再生砂的强度有较大的提高作用，再生砂的可使用时间也有较大的延长，但其再生成本也大为增长，再生砂循环使用后的溃散性也有较大的降低。
水玻璃旧砂残留黏结剂溶于水的特征，使得湿法再生该类旧砂的效果好，湿法再生砂的质量高，基本接近新砂的性能指标，可100%作为面砂或单一砂使用；但湿法再生系统，除了其组成较为复杂、设备维修工作量大、湿砂需烘干、投资较大外，其污水的处理回用也是关键之一，该污水的处理回用虽然不存在大的技术问题，但考虑到成本及投资费用等因素，它仍被认为是水玻璃旧砂湿法再生推广应用的一个障碍。
经过多年的认真研究我们发现，将水玻璃旧砂的干法回用与湿法再生结合起来，实现“水玻璃旧砂的干法回用与湿法再生”是最经济、最理想的选择。这也是水玻璃旧砂再生工艺、设备乃至理论认识上的重要进展。
在CO 2 吹气硬化水玻璃砂、粉末硬化水玻璃砂和液态有机酯水玻璃砂三种主要水玻璃砂工艺应用的同时，水玻璃石灰石砂、加热硬化水玻璃砂、微波硬化水玻璃砂等工艺方法在我国也有不同程度的开发与应用。
1.水玻璃石灰石砂
水玻璃石灰石砂是以水玻璃为黏结剂，以高温分解的（或将天然石灰石经过机械破碎、筛选后成的）石灰石砂取代硅砂配制成的型砂或芯砂。水玻璃石灰石砂工艺由我国的常州戚墅堰机车车辆厂于1970年首先开发成功后，在我国不少的铸钢工厂使用。与水玻璃硅砂比较，水玻璃石灰砂突出的优点是溃散性好及无硅尘危害，资源丰富，铸件的表面光洁（不黏砂），冷却速度快及铸件组织致密等。但它也有明显的缺点，如石灰石砂粒的硬度低，混辗时容易粉化，型砂的保存性差，发气量大，耐高温和冲刷性差，铸件易产生缩沉、气孔、蚯裂缺陷，旧砂再生回用困难，且挥发出的CO气体易使操作工人产生中毒现象等。目前，水玻璃石灰石砂的使用单位已越来越少。
2.加热硬化水玻璃砂
加热硬化水玻璃砂是19世纪中期人们最早使用的水玻璃砂硬化工艺。加热硬化的水玻璃砂的强度高，3%～4%的水玻璃加入量即可获得足够的强度，但它有如下明显的缺点：
1）生产率低、能耗大、劳动强度大、型（芯）的尺寸精度不高。
2）普通的加热，型（芯）表层通常先受热失水硬化、结成硬壳，使热空气不易渗入型（芯）内部，型（芯）内部的水蒸气不易扩散出来，故厚大型（芯）的内部烘不透，而其表层又易受过度烘烤。
3）加热硬化的铸型（芯）具有很强的吸湿性，吸湿后型（芯）易膨胀变形，甚至崩塌，给生产组织管理和浇注过程带来了很多麻烦。
因此，加热硬化水玻璃砂工艺没有得到广泛的推广应用。
3.微波硬化水玻璃砂
微波是一种波长为1～300nm的电磁波。在微波的照射下，偶极距较大的分子（如水分子等）会随微波而发生激烈的振动，相互产生摩擦而发热。微波能透入型（芯）砂的内部，由内向外逐步加热。微波加热时，水分从型（芯）的内部向外迁移挥发，所以型（芯）砂能够充分烘透、整体得到烘干硬化。
微波加热技术应用于水玻璃砂始于1978年。其优点是可以充分发挥水玻璃的黏结潜力，水玻璃的加入量可降至1.5%～2.0%。但微波硬化的水玻璃砂吸湿性太强，给操作和管理带来了极大的困难，另外木材和金属不能作模具材料（木材易受热变形，金属会反射微波），加之现阶段微波硬化装备的价格昂贵，故微波硬化水玻璃砂工艺目前还未得到广泛的推广应用。但随着有关问题的逐步解决，微波硬化水玻璃砂工艺还是具有诱人的应用前景。
人类进入21世纪以来，绿色制造、可持续发展的概念逐步被人们接受，并越来越受到重视。被铸造工作者誉为绿色黏结剂的水玻璃砂迎来了它又一次大的发展机遇。随着铸造科技工作者对水玻璃砂基础理论（水玻璃老化、增强改性、旧砂再生等）的深入认识，以酯硬化水玻璃砂工艺为代表的第三代水玻璃砂，在我国的推广应用有加快的趋势。由沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司、华中科技大学、上海交通大学、沈阳铸造研究所等单位分别研究开发的新型改性水玻璃已在许多工厂推广应用，形势十分喜人。
通过采用高性能的改性水玻璃黏结剂、高质量的有机酯硬化剂和高品位的原砂，水玻璃的加入量已大大降低。用于生产复杂铸钢件（如：铁路货车上的摇枕、侧架等）的水玻璃加入量已降至2.5%～3.0%；用于生产简单铸钢件（如：阀门中的阀体等）的水玻璃加入量已降至1.8%～2.0%。此时，采用新砂生产时的水玻璃砂溃散性问题基本得到解决，也为水玻璃旧砂的完全再生回用创造了很好的条件。
在旧砂再生回用方面，随着理论研究上的突破，水玻璃旧砂再生难的本质已基本被认识。目前，采用“旧砂加热+干法再生”，结合水玻璃模数的调整（通常采用低模数的水玻璃），可实现水玻璃干法再生砂做背砂，在要求不高的铸件上做单一砂的使用；采用新型湿法再生工艺，可实现水玻璃湿法再生砂做面砂或单一砂的使用，湿法再生污水实现了循环回用。这些新的研究成果，已在我国的许多企业得到了采用，水玻璃砂应用的又一个高潮正在到来。
但是，水玻璃砂工艺、材料及装备研究与应用方面取得的上述进步，并不意味着水玻璃砂存在的问题已全部解决，而新出现的问题又摆在我们面前。例如，水玻璃加入量降低后，型砂的表面稳定性及抗湿性下降问题；干法再生砂水玻璃砂循环使用后型砂的溃散性恶化问题；湿法再生的系统简化及成本降低问题；CO 2 水玻璃砂工艺改进等。因此，继续开发更先进的水玻璃材料、硬化工艺及其旧砂再生设备，实现基于水玻璃砂的绿色铸造仍是铸造工作者面临的重要课题。