渗硼处理是提高H13热作模具钢使用寿命的关键技术之一，传统渗硼处理方法在高温下进行，能耗大，容易导致工件尺寸变形严重，低温渗硼成为了该领域的前沿研究方向。由于表面纳米化技术和稀土催渗技术可降低化学热处理温度，把这两种技术与渗硼技术相结合进行低温渗硼研究具有重要学术意义和工程应用意义。本文对经过热处理的H13钢研发出了能在其表面实现纳米化的循环喷丸技术(CSPT)，同时研制出了能够在抛光态（P试样）和表面纳米化（CSPT试样）的H13钢上制备出硼化物层的低温固体渗硼剂配方。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)、辉光放电光谱仪(GDOS)、纳米压痕仪、热熔损设备和热疲劳机等测试方法，对H13钢表面纳米化机理、渗硼层显微组织结构和成分、相组成、截面硬度梯度、硼化物层的热熔损和热疲劳性能进行了系统的研究。同时，对低温固体渗硼中硼化物层的形成机理进行了深入的研究，探索了稀土的催渗机制、硼化物层形成的热力学条件和生长动力学模型。得到如下主要结果：1. H13钢经过CSPT处理，表层硬度达到7.4GPa，残余应力为-543MPa，位错密度约为1.2×1015m-2，微观应变为0.25%，形变储存能为4.2×106J·m-3，最表层约2μm内的平均晶粒尺寸为25nm。低于600℃，纳米晶粒没有明显长大。纳米化机理由位错滑移、缠绕和位错墙组合运动为主导，应变量较小时，铁素体晶粒内形成胞状结构并逐渐转变为亚晶粒；随着应变量的增大，形成片层状结构，其厚度不断减小并相互交割，形成近似等轴的亚微米晶粒；在大应变量和高应变速率以及多方向力的共同作用下，在样品最表层形成取向随机的等轴纳米晶。2.低温固体渗硼的渗剂配方为：50%B4C+10%NaBF4+5%NH4BF4+5%NH4HCO3+10%CeCl3+4%活性炭+16%SiC。在580℃渗硼10h，P试样和CSPT试样硼化物层厚度分别为7.19和9.23μm，硬度分别为19GPa和23GPa；C和Si元素在渗硼过程中没有扩散到过渡区，硼化物层下面没有形成硬度偏低的软区。硼化物层物相组成主要是FeB和Fe2B相，两铁硼相晶粒内部具有层错结构，存在孪晶亚结构，孪晶界中含有较高密度的不全位错。3.稀土Ce对活性硼在试样表面的吸附具有显著的促进作用；在试样表层中Ce元素分布不均匀,富集于晶界,在晶粒内有微量的固溶。稀土扩散进基体表层后能够阻止α-Fe相晶粒回复再结晶和晶粒长大,同时固溶在晶内的稀土会与空位配位共存于晶格中,可以提高晶格空位浓度,以降低活性硼原子在基体中扩散的激活能,从而明显加快其在基体表层中的扩散迁移速率。4.在580℃时,对于P试样和CSPT试样,硼原子在α-Fe相中扩散系数分别为5.4×10-15m2/s和9.2×10-15m2/s,生成FeB相的总Gibbs自由能变化分别为-157.8kJ/mol和-179.9kJ/mol,生成Fe2B相的总Gibbs自由能变化分别为-181.9kJ/mol和-204.0kJ/mol:P试样中硼原子在硼化物两相中的扩散系数为DFeB=3.80×10-14m2/s, DFe2B=1.90×10-14m2/s;CSPT试样中硼原子在硼化物两相中的扩散系数为DFeB=6.82×10-14m2/s,DFe2B=3.83×10-4m2/s;表明表面纳米化能显著加速低温渗硼中硼原子的扩散迁移。5.在580-680℃,P试样和CSPT试样低温固体渗硼制备硼化物层的表观扩散激活能分别为96.41kJ/mol和71.87kJ/mol,CSPT试样的降低了约25kJ/mol,表明试样经过表面纳米化后能显著提高硼化物的生长效率。P试样和CSPT试样低温固体渗硼的硼化物层厚度与渗硼温度和时间的生长动力学方程如下：6.由于硼化物层的耐腐蚀性,可以隔绝铝熔液和基体直接接触,使试样表面生成铁铝和铁铝硅金属间化合物的化学反应不易进行,低温渗硼试样抗热熔损性能得到了大幅度的提高。硼化物层具有良好的高温抗氧化性能和热硬性,使硼化物层能有效地延缓热疲劳裂纹的萌生和抑制其扩展,低温渗硼处理能显著提升H13钢的抗热疲劳性能。