水玻璃作为砂型铸造用粘结剂具有绿色无污染、成本低廉、硬化速度快及铸件质量高等优势,在我国的铸造产业中具有非常大的应用潜力。然而,水玻璃应用于铸造生产中,仍存在溃散性差、吸湿性强及易老化等缺陷,因此,水玻璃粘结砂的改性研究具有非常重要的现实意义。本文采用温芯盒制芯方法,首先,研究了复合改性剂（包含氢氧化钾、氢氧化锂和磷酸氢二钠三种成分）对水玻璃粘结砂性能的影响;其次,进一步研究了纳米氧化镁（Mg O）、纳米二氧化硅（Si O₂）与超声处理结合的改性方法对水玻璃粘结砂性能的影响;然后,采用二氧化钛（Ti O₂）、氧化锌（Zn O）和碳化硅（Si C）三种粉末作为溃散剂,研究其对水玻璃粘结砂性能的影响;还探讨了硬化工艺（芯盒温度和加热时间）对水玻璃粘结砂芯性能的影响,并确定了最佳的芯盒温度和加热时间;采用FTIR、XRD、SEM及EDS等方法分析改性机理。研究结果表明,当氢氧化钾、氢氧化锂和磷酸氢二钠的添加量占水玻璃质量的3%、0.6%和3%时,试样的热强度为1.313MPa,4h强度为2.889MPa,24h强度为2.616MPa,800°C残留强度为0.751MPa。与未改性的试样相比,改性试样的热强度、4h强度和24h强度均得到明显改善,依次提高了66%、37%和56%,然而试样的800°C残留强度却并没有降低,反而提高了27%,其溃散性未能得到改善。复合改性剂可使水玻璃内部的分子间键合发生了改变,使改性试样的粘结桥更加光滑和致密,从而使试样的常温终强度得到了明显提高。在添加氢氧化钾、氢氧化锂和磷酸氢二钠的基础上,当纳米Mg O和纳米Si O₂的添加量占水玻璃质量的1.5%和1%,超声处理时间为15min时,试样的热强度为1.461MPa,4h强度为3.602MPa,24h强度为3.326MPa,800°C残留强度为0.541MPa。纳米粉末和超声处理改性能使粘结剂中Si-O键和P-O键对应的峰值得到增强,使试样的常温强度得到改善;由于纳米粒子的存在,试样经800°C高温加热后,其砂粒间的粘结桥会被割裂,粘结桥上有长裂纹出现,导致了试样残留强度的降低。在水玻璃的复合改性、纳米氧化物和超声处理改性的基础上,当溃散剂Ti O₂、Zn O和Si C的添加量分别占原砂质量的0.4%、0.3%和1%时,试样的热强度为1.921MPa,4h强度为4.532MPa,24h强度为4.253MPa,800°C残留强度为0.379MPa。添加溃散剂后,砂粒间的空隙明显减小,砂粒间粘结桥数目增多,试样的常温强度提高;由于溃散剂各成分的热膨胀与冷收缩系数的差异,改性试样经800°C高温加热后,砂粒间粘结桥被严重破坏,残留强度得到进一步降低。综合改性后的最佳硬化工艺参数:芯盒温度为150°C,加热时间为120s;改性条件下型砂的可使用时间为2.5h;在800°C加热时,改性试样的发气量在第22s时达到极大值5.3ml/g,发气速度在第11s时达到极大值1.1ml/g/s,可以很好地满足实际生产需求,减少铸件中气孔等缺陷的出现。