化学粘砂是铁的氧化物与铸型材料和浇注气氛相互之间物理化学作用的结果。铸型在浇注金属液时型壁表面被加热并经受各种复杂的变化。开始加热时，在铸型和砂芯的表面层发生物理变化：水分蒸发，粘接剂热分解，硅砂的多晶转变等；然后开始化学反应生成硅酸盐。随着加热温度的上升，型砂中易熔部分开始熔化，各种共晶体也被熔化。固态的硅酸盐溶解在已经出现的熔体中，然后在固体物质和液态熔体之间进行着高速的化学反应。
在铸件表面上形成粘砂层，由于这些相互作用，造型材料的颗粒在粘砂层中，既能够铜铁的氧化物粘接，也能够与易熔的硅酸铁等粘接。这种造型材料的粘接不仅能够形成液态的，而且也能形成部分的烧结。因此也有人提出了热粘砂的概念，其形成是由于造型材料的熔化和铸件表面熔焊在一起。这种粘砂可以通过氧化铁的薄膜或渗入金属铜铸件粘合在一起。大多数情况下，由于造型材料的熔化温度比浇注金属液高，那么热粘砂自身不会形成，而应是化学粘砂的继续。化学粘砂又分为难剥离的和易剥离的，后者是易从铸件上剥离的烧结层。
在形成化学粘砂中起主要作用的是金属表面的氧化和氧化铁与铸型材料的相互作用。因此，几乎所有的研究者都指出，在粘砂层中存在大量的铁的氧化物。在高温下，铁的氧化进行的非常迅速，在1min内可以形成0.001mm厚的氧化膜。
浇入铸型中的熔融金属都含有一定量的氧，以溶解状态或者氧化态存在，在浇注时与铸型接触的金属液又进一步被氧化。金属的氧化促进氧化铁在造型材料和铸件的金属中溶解，而氧化薄膜增加金属对铸型的浸润性，结果湿润角迅速减小。金属氧化的媒介可以使氧、水蒸气、二氧化碳等，这些介质在铸型中是始终存在的。铸件表面的氧化程度主要取决于铸型内气氛的组成，型内氧化特性的变化与型砂的水分和组成有关。
由高镍铬合金钢浇注的铸件粘砂很少，因为这些钢与碳钢相比，氧化倾向小，形成的铬氧化物不与铸型材料发生反应。相反，高锰钢浇注的铸件粘砂则十分严重，这是因为铁锰氧化物的化学活性更大。
由于铁的氧化，在铸型表面形成了一层氧化薄膜，靠近金属的连接层由FeO组成，中间是Fe3O4，最外层是由Fe2O3组成。Fe2O3层通常很薄，采用X射线衍射都发现不了。FeO层分为两个部分：一部分附在氧化铁皮的表面上，另一部分留在金属上，在铸件冷却时，FeO转变成Fe3O4和Fe2O3。因此在浇注金属液后铸型所具有的实际温度下，铸件表面生成的铁的氧化物主要是FeO和Fe3O4，它们与造型材料相互作用，导致了化学粘砂。
相关文献认为，在形成化学粘砂中起主要作用的是FeO。当氧化铁及其硅酸盐转变为液态时，粘砂层厚度急剧增大。铸钢件的粘砂层厚度大就证实了这一点。因此钢的浇注温度通常超过FeO的熔点（1370℃）。金属中FeO的数量与其在粘砂层中的数量成正比，因此，脱氧不良的钢液增加铸件粘砂。
若铸件与粘砂层之间的氧化铁的厚度达到某个临界值，粘砂层就容易从铸件上清除下来。当使用水玻璃砂时，这个厚度大约为10μm。为了防止化学粘砂，应增加氧化铁层厚度。在高温下氧化铁不断生成也在不断消耗。如果氧化铁的生成速度与其消耗速度相近，则氧化铁层的临界厚度就建立不起来，氧化铁将形成铁橄榄石等低熔点物并牢固的附在铸件表面，形成化学粘砂。如氧化铁的生成速度大于其消耗速度，则在烧结层与铸件表面铸件积累起氧化铁层，当氧化铁层厚度达到临界厚度以上时，烧结层易剥落。
铸钢件表面容易氧化，故一定厚度的氧化铁层的形成比较容易实现。铸铁中的碳、硅、锰等元素有防止氧化的作用，故在铸铁表面与烧结层之间不可能得到适宜厚度的氧化铁层。
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