Stahl ist eine Legierung oder Mischung aus Eisen mit Kohlenstoff und kleinen Mengen anderer Metalle. Reines Eisen lässt sich schmelzen und formen, ist aber tendenziell weich. Das Hinzufügen von Kohlenstoff stärkt das Metall, und die meisten Kohlenstoffstähle enthalten ein bis zwei Prozent Kohlenstoff. Schwarzer Kohlenstoffstahl entsteht während des Herstellungsprozesses, wenn hohe Temperaturen eine dünne Schicht aus oxidiertem Eisen auf der Außenfläche erzeugen.
Kohlenstoff verbindet sich chemisch mit dem Eisen in Stahllegierungen, wodurch ein viel härteres Material als reines Eisen entsteht. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird das Material härter, aber auch spröder oder bricht unter Belastung oder Belastung. Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 % gilt als Gusseisen; dies kann für Rohrleitungen und nicht tragende Materialien verwendet werden, wird jedoch für Baustahl als zu spröde angesehen.
Eisen reagiert leicht mit dem Sauerstoff in der Luft und erzeugt Eisenoxid oder Rost, der zum Versagen von Teilen führt, daher wird es oft beschichtet, um Oberflächenrost zu verhindern. Ein Vorteil von schwarzem Kohlenstoffstahl ist die natürliche Korrosionsschutzeigenschaft der schwarzen Eisenoxidbeschichtung, da das Oxid als Barriere wirkt, um Sauerstoff vom darunterliegenden Eisen fernzuhalten. Die dünne Oxidschicht wird bei hohen Temperaturen erzeugt und bildet eine dauerhafte Schicht, die keiner weiteren Behandlung oder Beschichtung bedarf.
Für Anwendungen, bei denen der Korrosionsschutz kritisch ist, kann Kohlenstoffstahl lackiert oder verzinkt werden. Stahl wird galvanisiert, indem er mit Säure gewaschen und dann in ein Bad aus geschmolzenem Zink getaucht wird. Das Zink bildet eine Schicht auf der Außenseite des Stahls und korrodiert zuerst, wenn es Luft oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Galvanisieren verbessert die Lebensdauer von Stahlteilen, wird jedoch bei schwarzem Kohlenstoffstahl nicht verwendet, da die Oxidschicht den Stahl bereits schützt.
Schwarzer Kohlenstoffstahl wird häufig für Gas- oder Wasserleitungen verwendet, da er kostengünstig ist und mit gängigen Verfahren geschweißt werden kann. Einige Ölfernleitungen haben schwarze Kohlenstoffstahlrohre verwendet, da die Rohre vor Ort angeschlossen werden können und nicht so schnell rosten. Dieser Stahl kann in Klimazonen oder Bodenbedingungen verwendet werden, die die Korrosion beschleunigen können, aber möglicherweise ist ein zusätzlicher Schutz wie Anoden erforderlich. Anoden sind vergrabene Stäbe aus Zink, die beim Anschluss an das Stahlrohr zuerst korrodieren.
Kochgeschirr kann als schwarzer Stahl bezeichnet werden, aber die dunkle Farbe ist eher ein Produkt einer Ölbehandlung, die als Würzen bezeichnet wird, als der Herstellung. Kohlenstoffstahl wird oft mit Öl beschichtet, um ein Rosten zu verhindern, und Kochgeschirr aus Stahl kann geölt und erhitzt werden, um die Ölmoleküle zu absorbieren. Der Stahl wird dunkler und erhält einige rostverhindernde Eigenschaften, aber das Würzen ist eine vorübergehende Beschichtung und muss regelmäßig wiederholt werden.