Stål är en legering, eller blandning, av järn med kol och små mängder andra metaller. Rent järn kan smältas och formas, men tenderar att vara mjukt. Tillsats av kol kommer att stärka metallen, och de flesta kolstål innehåller en till två procent kol. Svart kolstål skapas under tillverkningsprocessen när höga temperaturer skapar ett tunt lager av oxiderat järn på den yttre ytan.
Kol binder kemiskt till järnet i stållegeringar, vilket skapar ett mycket hårdare material än rent järn. När kolhalten ökar blir materialet hårdare men skörare, eller benäget att gå sönder under påkänning eller belastning. Stål som innehåller kol i en mängd över 2 % anses gjutjärn; detta kan användas för rörledningar och icke-konstruktionsmaterial, men anses vara för sprött för konstruktionsstål.
Järn reagerar lätt med syret i luften och skapar järnoxid eller rost som gör att delar går sönder, så det är ofta belagt för att förhindra ytrost. En fördel med svart kolstål är den naturliga antikorrosionsegenskapen hos den svarta järnoxidbeläggningen, eftersom oxiden fungerar som en barriär för att hålla syre från järnet nedanför. Det tunna oxidskiktet skapas vid höga temperaturer och bildar ett hållbart skikt som inte kräver ytterligare behandling eller beläggning.
För applikationer där korrosionsskydd är kritiskt kan kolstål målas eller galvaniseras. Stål galvaniseras genom att syra tvätta det och sedan doppa stålet i ett smält zinkbad. Zinken bildar ett lager på utsidan av stålet, och korroderar först när det utsätts för luft eller fukt. Galvanisering kommer att förbättra livslängden för ståldelar, men används inte på svart kolstål, eftersom oxidskiktet redan skyddar stålet.
Svart kolstål används ofta för gas- eller vattenledningar, eftersom det har låg kostnad och kan svetsas med vanliga metoder. Vissa långväga oljeledningar har använt svarta kolstålrör, eftersom röret kan anslutas i fält och inte rostar snabbt. Detta stål kan användas i klimat eller markförhållanden som kan påskynda korrosion, men ytterligare skydd som anoder kan behövas. Anoder är nedgrävda stavar av zink som korroderar först när de ansluts till stålröret.
Köksredskap kan kallas svart stål, men den mörka färgen är en produkt av en oljebehandling som kallas krydda, snarare än tillverkning. Kolstål är ofta belagt med olja för att förhindra rost, och köksredskap av stål kan oljas och värmas för att absorbera oljemolekylerna. Stålet kommer att mörkna och få vissa rostförebyggande egenskaper, men kryddningen är en tillfällig beläggning och måste upprepas med jämna mellanrum.