15 ноября в схватке 9 республиканских истребителей с 5 «юнкерсами», 6 «хейнкелями», 7 «ромеро» и 12 «фиатами» Черных добился второй победы.
5 декабря того же года при налете франкистской авиации на аэродром республиканцев он не растерялся под разрывами бомб. Вскочив в самолет без парашюта и шлема, стремительно взлетел. За ним взлетело его звено. Черных нагнал уходящих «юнкерсов» и двумя пулеметными очередями сбил вначале одну машину Ю-52, а затем вместе со звеном — вторую.
На следующий день в 13 30 у Мадрида 22 И-16 и 14 И-15 перехватили две группы бомбардировщиков в количестве 10 и 20 машин, шедших под прикрытием 25 истребителей. В завязавшемся воздушном сражении звеном Денисова (Путивко, Черных) был сбит «юнкере». Затем противник потерял еще 4 «хейнкеля».
3 января 1937 г., ближе к вечеру, когда И-16 поднялись на перехват бомбардировщиков, звено Сергея Черных задержалось на взлете. На пути к району прикрытия они встретили 14 истребителей противника, имевших преимущество по высоте. Черных решил отвлечь их от Мадрида. Уведя противника на 15–20 км в сторону, он развернул звено и пошел обратно. В этот момент Сергей увидел два бомбардировщика «Савойя-81». В последовавшей атаке один из них накренился влево, и слева от кабины вырвались черный дым и пламя, после чего самолет перешел в пике, весь объятый пламенем. Второй бомбардировщик почему-то стал штопорить.
Проконтролировать результаты атаки не удалось — в этот момент подоспели 14 гнавшихся за И-16 истребителей противника, от которых советские летчики смогли благополучно оторваться.
На фронте появился новейший немецкий истребитель. Это был двухместный моноплан с низко расположенными крыльями, окрашенный снизу в серый, сверху — в белый цвет. Немцы широко его разрекламировали как скоростной и маневренный самолет. В качестве разведчика он стал регулярно появляться над Мадридом. Многие истребители пытались его сбить, но он, умело маневрируя, уходил за линию фронта. Изучив тактику врага, Черных доложил комбригу Якову Смушкевичу о своей готовности помериться с разведчиком силами.
7 января С. Денисов, И. Кравченко, П. Путивко и С. Черных пришли на аэродром пораньше. Они опробовали двигатели и стали всматриваться в небо. Около 14.20 самолеты взлетели на перехват разведчика. Но немецкий летчик не хотел драться. Он прибавлял скорость и два раза легко уходил от менее скоростных «ишачков».
Всего в небе Испании летчик провел 115 часов, сбил 5 самолетов лично и 2 — в составе звена.
13 апреля 1937 г. первая группа советских летчиков-добровольцев возвратилась на родину. После краткого отдыха старший лейтенант Черных вступил в должность командира авиаотряда, а через четыре месяца получил звание майора и был назначен командиром эскадрильи.
В 1938 г. он уже полковник, командир авиабригады. Во время боев у озера Хасан в августе 1938 г. был заместителем начальника ВВС Дальневосточного фронта. В сентябре 1938 г. отвечал за поисковые работы экипажа самолета «Родина». Затем был направлен на учебу в Военную академию Генерального штаба. Однако сложившаяся обстановка не позволила ему пройти полный курс обучения. В звании комбриг он стал заместителем командующего ВВС Одесского военного округа. В 28 лет он стал генералом. В июне 1940 г. принял под свое командование 9-ю смешанную авиадивизию Западного Особого ВО.
В авиадивизии были старые И-16 с изношенной материальной частью, поэтому с февраля 1941 г. стали в числе первых поступать новые «миги». Надо было срочно организовывать переучивание летного состава, но в полках было много молодых летчиков, и дивизия не имела ни одного двухместного учебного истребителя-спарки для вывоза летчиков и контроля за обучением. Летали на старых самолетах. Новые машины по мере сборки накапливались на аэродроме в районе Белостока. Черных с нетерпением ждал конца апреля — начала мая 1941 г., когда можно будет развернуться для работы на грунтовых площадках. На основных аэродромах к лету хозяйничали строители. К лету 41-го много старых И-16 было законсервировано.
К началу Великой Отечественной войны в полках было уже свыше 200 «мигов», на которых было выпущено, кроме командиров полков, командиров эскадрилий, около 140 летчиков и продолжался выпуск остальных.
Вечером 21 июня Черных провел совещание с командирами полков. Приказал привести части в боевую готовность. Все это он сделал по своей инициативе, ибо никаких указаний из штаба округа не получал. Весь вечер кипела работа. Самолеты размещали в укрытиях и маскировали в лесу. Закладывали полный боекомплект снарядов. Было установлено дежурство офицеров.