Stal jest stopem lub mieszaniną żelaza z węglem i niewielką ilością innych metali. Czyste żelazo można topić i kształtować, ale zwykle jest miękkie. Dodanie węgla wzmocni metal, a większość stali węglowych zawiera od XNUMX do XNUMX procent węgla. Czarna stal węglowa powstaje podczas procesu produkcyjnego, gdy wysokie temperatury tworzą cienką warstwę utlenionego żelaza na zewnętrznej powierzchni.
Węgiel wiąże się chemicznie z żelazem w stopach stali, tworząc znacznie twardszy materiał niż czyste żelazo. Wraz ze wzrostem zawartości węgla materiał staje się twardszy, ale bardziej kruchy lub podatny na pękanie pod wpływem naprężeń lub obciążeń. Stal zawierająca węgiel w ilości powyżej 2% jest uważana za żeliwo; może być stosowany do rur i materiałów niekonstrukcyjnych, ale jest uważany za zbyt kruchy dla stali konstrukcyjnej.
Żelazo łatwo reaguje z tlenem w powietrzu, tworząc tlenek żelaza lub rdzę, które powodują awarię części, dlatego często jest powlekane, aby zapobiec rdzewieniu powierzchni. Jedną z zalet czarnej stali węglowej jest naturalna właściwość antykorozyjna powłoki z czarnego tlenku żelaza, ponieważ tlenek działa jak bariera zatrzymująca tlen z żelaza znajdującego się poniżej. Cienka warstwa tlenku powstaje w wysokich temperaturach, tworząc trwałą warstwę, która nie wymaga dalszej obróbki ani powlekania.
W przypadku zastosowań, w których ochrona przed korozją ma kluczowe znaczenie, stal węglowa może być malowana lub galwanizowana. Stal jest galwanizowana przez mycie kwasem, a następnie zanurzanie w kąpieli ze stopionym cynkiem. Cynk tworzy warstwę na zewnętrznej stronie stali i najpierw koroduje pod wpływem powietrza lub wilgoci. Cynkowanie poprawia żywotność części stalowych, ale nie jest stosowane na czarnej stali węglowej, ponieważ warstwa tlenku już chroni stal.
Stal węglowa czarna jest często używana do produkcji rurociągów gazowych lub wodociągowych, ponieważ jest tania i może być spawana popularnymi metodami. Niektóre dalekosiężne rurociągi naftowe wykorzystują rury ze stali czarnej, ponieważ rura może być podłączona w terenie i nie rdzewieje szybko. Ta stal może być stosowana w klimacie lub warunkach gruntowych, które mogą przyspieszać korozję, ale może być potrzebna dodatkowa ochrona, taka jak anody. Anody to zakopane pręty wykonane z cynku, które korodują jako pierwsze po podłączeniu do stalowej rury.
Naczynia kuchenne można nazwać czarną stalą, ale ciemny kolor jest efektem olejowania, nazywanego przyprawami, a nie produkcji. Stal węglowa jest często pokrywana olejem, aby zapobiec rdzewieniu, a stalowe naczynia można oliwić i podgrzewać, aby wchłonąć cząsteczki oleju. Stal ciemnieje i nabiera pewnych właściwości antykorozyjnych, ale sezonowanie jest powłoką tymczasową i musi być okresowo powtarzane.