В статье представлена разработанная математическая модель процесса диффузии антифрикционного материала (на примере графита) в поверхностный слой металлической заготовки при ультразвуковой обработке. В отличие от традиционных подходов, основанных на втором законе Фика для объемной диффузии, предложенная модель базируется на уравнении Фишера, описывающем межзеренную диффузию в условиях интенсивной пластической деформации и формирования нанокристаллической структуры. Получено аналитическое выражение для расчета глубины проникновения покрытия, учитывающее температуру в зоне контакта, энергию активации диффузии, геометрию пятна контакта, частоту ультразвуковых колебаний, параметры режима обработки (частота вращения заготовки, поперечная подача) и свойства материала. Реализованы численные методы суммирования вкладов отдельных ударов индентора с учетом импульсного характера нагружения и накопления тепла. Проведен анализ влияния технологических параметров на толщину формируемого слоя: установлено, что снижение частоты вращения и поперечной подачи увеличивает глубину диффузии за счет роста числа перекрытий контактных пятен и времени воздействия на каждую точку поверхности. Результаты моделирования позволяют прогнозировать толщину антифрикционного слоя и оптимизировать режимы ультразвукового упрочнения для обеспечения заданных триботехнических характеристик. Модель может быть использована при проектировании технологических процессов нанесения покрытий в машиностроении.